導(dǎo)讀
隨著電子設(shè)備集成度的不斷提高,靜電放電(ESD)對(duì)電路的干擾和破壞愈發(fā)嚴(yán)重,成為影響設(shè)備可靠性的關(guān)鍵因素。本文探討了ESD的成因、危害及防護(hù)方法。
現(xiàn)在各類電子產(chǎn)品的功能越來(lái)越強(qiáng)大,而電路板卻越來(lái)越小,集成度越來(lái)越高,或多或少都裝有部分接口用于人機(jī)交互,這樣就存在著人體靜電放電的ESD問(wèn)題。一般電子產(chǎn)品中需要進(jìn)行ESD防護(hù)的有:USB接口、HDMI接口、電源接口、以太網(wǎng)接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、MIPI接口、按鍵、SIM卡、耳機(jī)、4G/5G接口、觸摸接口及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口?,F(xiàn)代半導(dǎo)體器件的規(guī)模越來(lái)越大,工作電壓越來(lái)越低,ESD對(duì)于電路引起的干擾、對(duì)元器件以及接口電路造成的破壞等問(wèn)題務(wù)必引起高度重視。
下面從靜電的特點(diǎn)、危害和防護(hù)等方面進(jìn)行一些介紹,并給出電源、USB 3.0電路的ESD防護(hù)示例,最后對(duì)ESD防護(hù)器件選型進(jìn)行一些分享。
?什么是靜電?有什么危害?
所謂靜電,就是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷或者說(shuō)不流動(dòng)的電荷(流動(dòng)的電荷就形成了電流)。當(dāng)電荷聚集在某個(gè)物體上或表面時(shí)就形成了靜電,而電荷分為正電荷和負(fù)電荷兩種,也就是說(shuō)靜電現(xiàn)象也分為兩種即正靜電和負(fù)靜電。當(dāng)正電荷聚集在某個(gè)物體上時(shí)就形成了正靜電,當(dāng)負(fù)電荷聚集在某個(gè)物體上時(shí)就形成了負(fù)靜電,但無(wú)論是正靜電還是負(fù)靜電,當(dāng)帶靜電物體接觸零電位物體(接地物體)或與其有電位差的物體時(shí)都會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移,就是我們?nèi)粘R?jiàn)到的火花放電現(xiàn)象。例如北方冬天天氣干燥,人體容易帶上靜電,當(dāng)接觸他人或金屬導(dǎo)電體時(shí)就會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。人會(huì)有觸電的針刺感,夜間能看到火花,這是化纖衣物與人體摩擦,人體帶上正靜電的原因。
靜電并不是靜止的電,是宏觀上暫時(shí)停留在某處的電。人在地毯或沙發(fā)上立起時(shí),人體電壓也可高達(dá)1萬(wàn)多伏,而橡膠和塑料薄膜表面的靜電更是可高達(dá)10多萬(wàn)伏。[摘自百度百科“靜電”詞條]
1. 特點(diǎn)
- ESD可形成高電位、強(qiáng)電場(chǎng)、瞬時(shí)大電流,大多數(shù)情況下ESD過(guò)程往往會(huì)產(chǎn)生的瞬時(shí)脈沖電流強(qiáng)度可達(dá)到幾十安培甚至上百安倍。
- 在ESD過(guò)程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁脈沖輻射,這種電磁脈沖上升時(shí)間極快、持續(xù)時(shí)間極短。
2. 危害
ESD對(duì)電子設(shè)備的危害主要有兩種機(jī)理,其一是ESD電流直接流過(guò)電路造成破壞,另一種是ESD電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)通過(guò)近場(chǎng)的電容耦合、電感耦合或遠(yuǎn)場(chǎng)的空間輻射耦合等途徑對(duì)電路造成干擾。
ESD可能引起易燃易爆物的起火或爆炸,也可能導(dǎo)致電子元件被擊穿或失效。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展,靜電危害已成為微電子器件的重要破壞源。靜電防護(hù)問(wèn)題越來(lái)越被關(guān)注,而ESD防護(hù)領(lǐng)域也日漸廣泛。
?靜電防護(hù)
靜電防護(hù),一方面要在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)考慮靜電釋放,另一方面,在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候也需要考慮靜電因素。1. 原理圖設(shè)計(jì)
- 阻止靜電的產(chǎn)生和積累,消除ESD源;
- 隔離導(dǎo)體,阻止放電;
- 為ESD電流提供替換通道,使其旁路;
- 屏蔽電路,阻止ESD產(chǎn)生的電磁干擾耦合到電路或設(shè)備;
- 通過(guò)選擇抗靜電級(jí)別較高的器件,設(shè)計(jì)合理的工藝和電路來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。
2. PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)
- PCB板邊與其他布線之間的距離應(yīng)大于0.3mm;
- PCB的板邊最好用GND網(wǎng)絡(luò)包圍,并間隔100~300mil打一個(gè)縫合孔;
- 重要的信號(hào)線如Reset、Clock等與其他布線之間的距離最好要滿足3W規(guī)則,有空間條件的話包地更好;
- 大功率的線與其他布線之間的距離保持在0.2mm以上;
- ESD、TVS等保護(hù)器件布局應(yīng)該盡量靠近接口,并且在GND管腳附近多打過(guò)孔;
- 鋪地時(shí)應(yīng)盡量避免尖角,有尖角的地方應(yīng)盡量使其平滑。
?常見(jiàn)電路應(yīng)用案列1. 電源電路的ESD設(shè)計(jì)
致遠(yuǎn)電子工控板為滿足在工業(yè)環(huán)境下的防護(hù)等級(jí)要求,在輸入端做了一系列的保護(hù),參考電路如圖1所示。
圖1 輸入電源電路
該電路的RT1自恢復(fù)保險(xiǎn)絲提供過(guò)流、短路保護(hù),D1、D3、D4、D5組成防反接電路,RV1壓敏電阻和D2氣體放電管組成一級(jí)浪涌防護(hù),D3的TVS瞬態(tài)抑制二極管為二級(jí)浪涌保護(hù)和靜電泄放,T2共模電感作為一級(jí)浪涌和二級(jí)浪涌的退耦器件,同時(shí)抑制共模干擾,大容量電容C3可避免浪涌回落時(shí)一級(jí)電源欠壓保護(hù)或負(fù)壓損壞一級(jí)電源芯片,C2、C7、L1組成的π型濾波電路可抑制差模干擾??蛻艨舍槍?duì)性增加或者刪減,以適應(yīng)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
2. USB的ESD參考電路設(shè)計(jì)
USB3.0參考電路如圖2所示。
圖2 USB3.0參考電路USB3.0接口的ESD電路設(shè)計(jì)主要是在接口處放置ESD保護(hù)器件LXES1UTAA1-157,0402 和 TPD4EUSB30DQAR,DQA-10。兩個(gè)ESD保護(hù)器件的關(guān)鍵參數(shù)分別如圖3和圖4所示。
圖3 LXES1UTAA1-157ESD參數(shù)
圖4 TPD4EUSB30DQARESD參數(shù)
這里需要特別注意的是,,對(duì)于高速信號(hào)的ESD保護(hù)器件選型需要選擇結(jié)電容小的,此值越小,對(duì)保護(hù)電路的信號(hào)傳輸影響越小,硅半導(dǎo)體ESD管的結(jié)電容通常在PF級(jí)。
在設(shè)計(jì)的時(shí)候也要考慮寄生電容和寄生電感,因?yàn)檫@些器件主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)線上,因此寄生電容可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)線總線電容變大,總線電容增大將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)波形上升和下降沿發(fā)生變化,影響數(shù)據(jù)的速率;寄生電感不會(huì)導(dǎo)致信號(hào)波形變化,但是因?yàn)榉雷o(hù)器件是將過(guò)多的能量很快泄放到地平面,而這些信號(hào)是瞬間高速信號(hào),所以引腳的寄生電感將會(huì)阻礙這些變化,影響數(shù)據(jù)有效性。
?ESD靜電二極管選型指南
- ESD二極管的截止電壓要大于電路中最高工作電壓;
- 脈沖峰值電流IPP和最大鉗位電壓VC的選擇,要根據(jù)線路上可能出現(xiàn)的最大浪涌電流來(lái)選擇合適IPP的型號(hào),需要注意的是,此時(shí)的VC應(yīng)小于被保護(hù)IC管腳所能耐受的最大峰值電壓;
- 用于信號(hào)傳輸電路保護(hù)時(shí),一定要注意所傳輸信號(hào)的頻率和傳輸速率,當(dāng)信號(hào)頻率或傳輸速率較高時(shí),應(yīng)選用低電容系列的ESD二極管;
- 根據(jù)電路設(shè)計(jì)布局及被保護(hù)線路數(shù)選擇合適的封裝。
ESD涉及的知識(shí)廣泛,這里僅僅是拋磚引玉。
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