電路級ESD防護方法
1、并聯放電器件
常用的放電器件有TVS,齊納二極管,壓敏電阻,氣體放電管等。
如圖
1.齊納二極管( Zener Diodes ,也稱穩壓二極管 ) :利用齊納二極管的反向擊穿特性可以保護 ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容,這對于高速信號(例如 500MHz)而言,會引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪涌也有很好的吸收作用。
2.瞬變電壓消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor):TVS 是一種固態二極管,專門用于防止 ESD 瞬態電壓破壞敏感的半導體器件。
與傳統的齊納二極管相比, TVS 二極管 P/N 結面積更大,這一結構上的改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力,同時也降低了電壓截止率,因而對于保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。
TVS二極管的瞬態功率和瞬態電流性能與結的面積成正比。該二極管的結具有較大的截面積,可以處理閃電和 ESD所引起的高瞬態電流。TVS也會有結電容,通常0.3個pF到幾十個pF。TVS有單極性的和雙極性的,使用時要注意。手機上用的TVS大約0.01$,低容值的約2-3分$。
3.多層金屬氧化物結構器件 (MLV):大陸一般稱為壓敏電阻。MLV也可以進行有效的瞬時高壓沖擊抑制,此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關系,截止電壓可達最初中止電壓的 2 ~ 3倍。
這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪涌保護,如電源回路,按鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約0.0015$,大約是TVS價格的1/6,但是防護效果沒有TVS好,且壓敏電阻有壽命老化。
2、串聯阻抗
一般可以通過串聯電阻或者磁珠來限制ESD放電電流,達到防靜電的目的。如圖。如手機的高輸入阻抗的端口可以串1K歐電阻來防護,如ADC,輸入的GPIO,按鍵等。
不要擔心0402的電阻會被打壞,實踐證明是打不壞的。用電阻做ESD防護幾乎不增加成本。如果用磁珠,磁珠的價格大 約0.002$,和壓敏電阻差不多。
3、增加濾波網絡
前面提到了靜電的能量頻譜,如果用濾波器濾掉主要的能量也能達到靜電防護的目的。
對于低頻信號,如GPIO輸入,ADC,音頻輸入可以用1k+1000PF的電容來做靜電防護,成本可以忽略,性能不比壓敏電阻差,如果用1K+50PF的壓敏電阻(下面講的復合防護措施),效果更好,經驗證明這樣防護效果有時超過TVS。
對于射頻天線的微波信號,如果用TVS管,壓敏等容性器件來做靜電防護,射頻信號會被衰減,因此要求TVS的電容很低,這樣增加ESD措施的成本。
對于微波信號可以對地并聯一個幾十nH的電感來為靜電提供一個放電通道,對微波信號幾乎沒有影響,對于900MHZ和1800MHz的手機經常用22nH的電感。這樣能把靜電主要能量頻譜上的能量吸收掉很多。
4、復合防護
有一種器件叫EMI filter,他有很好的ESD防護效果,如圖。EMI filter也有基于TVS管的和基于壓敏電阻的,前者效果好,但很貴,后者廉價,一般4路基于壓敏電阻的EMI價格在0.02$。
實際應用中可以用下面的一個電阻+一個壓敏電阻的方式。他既有低通濾波器的功能,又有壓敏電阻的功能,還有電阻串聯限流的功能。是性價比最好的防護方式,對于高阻信號可以采用1K電阻+50PF壓敏;
對于耳機等音頻輸出信號可以采用100歐電阻+壓敏電阻;對于TP信號串聯電阻不能太大否則影響TP的線性,可以采用10歐電阻。雖然電阻小了,低通濾波器效果已經沒有了,但限流作用還是很重要的。
5、增加吸收回路
可以在敏感信號附件增加地的漏銅,來吸收靜電。道理和避雷針原理一樣。在信號線上放置尖端放電點(火花隙)在山寨手機設計中也經常應用。
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