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如何做好静电防护
作者:段进成    发布于:2018-05-02 08:33:05    文字:【】【】【
摘要:静电在生活中无所不在,几乎所有的电子元件都要做防静电设计,静对于电路的危害,轻则影响电路正常工作,重则直接烧毁电子元件。昂贵的电子元件不仅要保证不被ESD损毁,且精密的电子元件还要保护不能受ESD影响。这就需要工程师在设计电路时要对ESD了解十分充分。

静电在生活中无所不在,几乎所有的电子元件都要做防静电设计,静对于电路的危害,轻则影响电路正常工作,重则直接烧毁电子元件昂贵的电子元件不仅要保证不被ESD损毁,且精密的电子元件还要保护不能受ESD影响。这就需要工程师在设计电路时要对ESD了解十分充分。

 

几乎每个人都有接触过静电放电的体验,就是冬天脱毛衣的那一霎那起的火花,就是瞬间释放积累起来的静电。所以现在很多实验室中都有特别的防静电设计,来满足特殊仪器的防静电要求。为了避免静电的干扰,也有很多的规范需要我们遵循保证精密的电子元件不被静电烧坏。

 

在处理和组装未受保护的电子元件时不能造成任何损坏这是一种电路设计挑战因为需要保证系统承受住ESD的冲击,之后仍能正常工作,更好的情况是经过ESD事件后不发生用户可觉察的故障。

  与人们的常识相反,设计人员完全可以让系统在经过ESD后不发生故障并仍能继续运行。只要我们能找到ESD冲击时发生了什么,就可以在源头上找到这个问题的根源来解决这个问题


一、ESD产生原理

  破坏受损电路的高瞬态电压一般具1524705186.jpg (690×517)有几个纳秒的上升时间和大约100纳秒的放电时间。受损电路不同,对正负冲击的敏感性可能也有很大的不同,因此你需 要同时处理好正负冲击。人体模型(HMB)和机器模型(MM)这两种最常见模型之间的区别主要在于串联电阻。人体模型的导电性没有金属那么好。

  防止过压损坏的最佳保护措施是用非线性电路进行限压或钳位。最常用的是专门的二极管,当它们在前向偏置或处于齐纳击穿区时具有很低的阻抗。引入限压器可以快速引起某些别的事件,因为通过电容放电会有大的浪涌电流经过限压器。

  虽然消除了高瞬态电压,但代之以几个安培的浪涌电流可能会导致系统中出现其它问题。具体取决于随后路径的总阻抗,浪涌电流可以达到几个安培。在为芯片设计I/O单元时,经常看到4A至16A的浪涌电流进入器件。处理如此巨大的瞬态浪涌电流已经成为ESD设计中的大问题。限制电压还算比较容易,但形成 的电流可能使系统中其它地方的电路和地发生逆转。

  电源通常沿着地线传播,并且是电源去耦电容的函数,因此系统核心仍能正常工 作。不过连到电路板上的控制线可能出现混乱,因为它们是相对板外的地而建立的。结果可能在某个位置发生ESD事件,并致使电路板上的某个输入端看起来出现故障。

二、如何建立防护

  利用板级ESD,你可以尝试建立一个堡垒,并在“护城河”上建立多个受控的接入点。连接到“城墙”之外的部分可以被广义地分成几个类别:协议受控的数据、 低带宽检测和控制线以及高速接口。前两个比较容易处理,第三个具有一定程度的挑战性。让这三部分免遭ESD破坏有几种不同的方法。

  不管最终产品是什么样,某种形式的保护性外壳将成为设备的一部分。隔离外壳内的电路是需要仔细考虑的第一道防线。在理想情况下,连接电路板地的金属外壳通常能起使用,但现代产品经常采用非导电性的塑料或其它现代材料。

  电路设计人员通常没法控制建造城墙的材料,但对保护堡垒负有不可推卸的责任。在设计外壳时需要注意,到达机箱外部任何部分的ESD都会有无数路径进入内部电路。

  建立一个PCB能够自我防止ESD冲击的堡垒可以从低阻抗的接地方法开始。建立一个地基和正常的电源完整性可以让印刷电路板(PCB)保持整个板上的信号完整性,即使是受到巨大的地浪涌电流冲击的时候。

  作为一个设计工程师,你会要求每个人系好他们的安全带,这样可以对付少量的气流。飞机可能快速地上下摆动,但如果每个人都系好了安全带,那么所有人都会固定在原位,飞机也会继续飞行。在这之后,你需要保护外部连接,并限制ESD事件效应。

  保护电路应该位于电路板入口位置,而不是入口点的下游。需要处理的可能是电弧问题引起的数千伏电位,或者最好在电路板边缘位置处理的数安培的浪涌电流。

三、保护设计

  瞬态电压抑制(TVS)限制二极管可以用作限压器。它们分为普通电压、逻辑电平和电源电压。常见的电压种类有:12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.2V。

  这个数字应该看起来比较熟悉,因为这些器件是专门针对与许多CMOS器件有关的需求设计的。一种规格不可能满足所有需求,它们应该是适合要保护器件的正确电压。

  现代CMOS工艺显著降低了电源电压,以保护没有很多设计余量且电压范围有限的晶体管,这点值得我们尊敬。这些器件一般使用代工工艺制造,这种代工工艺可以用小型封装提供具有低阻抗特性的大电流器件。

  在输入线上放置TVS限压器可以保护输入端免遭ESD的破坏性损害(图4)。但这种限压器无法处理在主机处理时发生的信号混乱现象,也无法处理由于巨大的地电流浪涌而发生的逆转效应。

简单的限压电压可以提供过压保护,但可能导致浪涌电流问题浪涌电流应该被限制,而信号应该保持相对局部地的稳定性。如前所述,HBM和MM之间的性能区别是非常大的。在许多情况下,在TVS器件之前增加一些串联电阻有助于限制电流浪涌,并减少地线反弹。与HBM一样,最终结果是减少系统应力。

  通常带宽限制本身不会解决ESD问题。低通滤波器对小型ESD的衰减也要求60dB至150dB才能消除瞬态电压,这对简单的无源滤波器来说是很难做到的。TVS限压器可以将信号下拉到电源轨之间。

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