【導(dǎo)讀】靜電放電(ESD)是一種意外的快速高壓瞬態(tài)波形,出現(xiàn)在電路內(nèi)的導(dǎo)體上。ESD引起的高電壓和電流峰值可能導(dǎo)致靜電敏感IC等器件發(fā)生故障。人際接觸是ESD的常見來源。即使人與電路沒有直接接觸,電容式檢測開關(guān)等器件也可以允許電荷耦合到電導(dǎo)體上。在ESD放電可能導(dǎo)致電路故障的情況下,需要ESD保護(hù)。
電磁干擾(EMI):電磁輻射的存在,可能會破壞附近的系統(tǒng)。EMI的來源包括電風(fēng)暴(閃電),主電源線中斷,太陽輻射和附近的電路(電源,變速電機(jī)驅(qū)動器,電弧焊機(jī)等)。
電磁兼容性 (EMC):衡量系統(tǒng)在以下兩方面的能力:
在電磁輻射 (EMI) 下正常工作。
不會發(fā)出超過系統(tǒng)類型及其使用環(huán)境所定義的法規(guī)的EMI。
靜電保護(hù)器件種類
下表總結(jié)了可用于 ESD 保護(hù)的不同組件。大致按從最低功率到最高功率分量排序。
MLCC陶瓷電容器
優(yōu)勢:便宜、小
缺點:對高功率ESD事件無效
對高電壓|敏感適用于幫助降低由小 ESD 事件引起的電壓尖峰
Zenor齊納二極管
優(yōu)勢:非常嚴(yán)格控制的“接通”電壓
缺點:對高功率ESD事件無效
齊納二極管是雪崩二極管的一種形式,就像TVS一樣。主要區(qū)別在于,齊納二極管通常設(shè)計用于更清晰的導(dǎo)通特性(用于電壓調(diào)節(jié)目的),而功耗則更小。
TVS瞬態(tài)電壓抑制二極管
優(yōu)勢:導(dǎo)通時間快(特別是單向,雙向較慢)
可處理中等功率 ESD 事件
缺點:不適合作為單個元件來有效應(yīng)對高功率ESD事件(需要與MOV,火花間隙或GDT配對)。
MOV(金屬氧化物壓敏電阻)
優(yōu)勢:通流量大
缺點:累積退化
大漏電流
大電容 (10?1000pF10?1000pF)
氣體放電管
優(yōu)勢:可熄滅極高功率 ESD 事件(例如雷擊)
缺點:比TVS二極管更笨重、更昂貴
不要具有低而尖銳的導(dǎo)通電壓,因此通常與TVS二極管結(jié)合使用。
累積降級為高功率事件
GAP火花間隙
火花間隙非常簡單(只是PCB層上的銅形狀!工作原理與GDT相同,但沒有受控的氣氛和壓力。
標(biāo)準(zhǔn)
IEC-61312-1:雷電電磁脈沖保護(hù),于1995年首次推出。
Telecordia GR-1089核心:電磁兼容性和電氣安全 - 網(wǎng)絡(luò)電信設(shè)備的通用標(biāo)準(zhǔn):電信服務(wù)提供商使用。它包含 NEBS(網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 - 建筑系統(tǒng))標(biāo)準(zhǔn)。
IEC 61643-1,第一版,1998年,連接到低壓配電系統(tǒng)的浪涌保護(hù)器件。最早引用8/20us雷電波形之一。
IEEE C62.41.2,關(guān)于低壓(1000 V及以下)交流電源電路中浪涌電壓特性化的推薦做法。
符合 IEC 61000-4系列標(biāo)準(zhǔn)
IEC 61000-4 完全是關(guān)于電磁兼容性 (EMC) 的。
符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)
例如,上海雷卯 ULC0511CDN ESD 二極管陣列的 ESD 耐壓 VESD 的額定值為 ±30kV(符合 IEC61000-4-2(接觸),±30kV,符合 IEC61000-4-2(空氣)標(biāo)準(zhǔn)。
IEC 61000-4-4
特別令人感興趣的是第4部分(61000-4-4),標(biāo)題為“測試和測量技術(shù) - 電氣快速瞬變/突發(fā)抗擾度測試”。它詳細(xì)介紹了如何在電路上構(gòu)建測試以測量其對ESD的敏感性,重點是來自源的ESD,例如感性負(fù)載的中斷和繼電器觸點反彈。第一版于1995年發(fā)布。截至2022年,2012年版本是最新的。
IEC 61000-4-4 定義了一些測試級別,以及端口必須能夠承受的相關(guān)峰值電壓?!半娫炊丝凇焙汀靶盘柖丝凇敝g是有區(qū)別的。
測試級別 X 指定一個特殊測試,其中級別由用戶定義。所有級別的“重復(fù)頻率”均為5或100kHz。
CMOS I/O 上的內(nèi)部 ESD 保護(hù)
內(nèi)置保護(hù)在CMOS I/O引腳上非常常見,這些引腳可能是器件的一部分(從簡單的負(fù)載開關(guān)到中等復(fù)雜性的微控制器,再到高復(fù)雜性的FPGA)。它們通常為每個 I/O 引腳兩個。一個連接在引腳和GND之間,一個連接在引腳和VCC之間。兩者在正常工作條件下均為反向偏置(GND<=VI/O<=VCC)。
CMOS數(shù)字I/O引腳示意圖,突出顯示了許多設(shè)計中普遍存在的內(nèi)部保護(hù)二極管(即使IC數(shù)據(jù)手冊中沒有提到它們)。
它們用于在引腳發(fā)生故障時保護(hù)敏感的CMOS邏輯。如果VI/O 上的電壓高于 VCC(例如,正 ESD 電壓尖峰),則頂部二極管導(dǎo)通,將引腳上的電壓箝位至不超過VCC+Vf。同樣,如果VI/O上的電壓降至VGND以下(例如,負(fù)ESD電壓尖峰),則底部二極管導(dǎo)通,將引腳上的電壓箝位至不超過?Vf。
要小心,因為這些二極管通常具有相當(dāng)?shù)偷淖畲箅娏?。超過此最大電流將吹動ESD二極管,通常導(dǎo)致其開路,從而消除了敏感CMOS電路的保護(hù),然后幾乎瞬間被油炸。然后,您的 I/O 引腳將停止工作。如果幸運的話,它只會是一個受影響的引腳。如果沒有,整個端口(如果適用),甚至整個設(shè)備都會被失效。
無論它們多么有用,它們也會在特定情況下產(chǎn)生設(shè)計挑戰(zhàn),因此在進(jìn)行任何涉及CMOS I/O且存在ESD保護(hù)二極管的原理圖設(shè)計時,都需要仔細(xì)考慮。導(dǎo)致問題的兩種情況是:為具有多個電壓軌的電路上電時。當(dāng)VI/O上的電壓在某些點上可能高于VCC時,由于輸入信號的性質(zhì)。在低功耗設(shè)計中,當(dāng)您有選擇地關(guān)斷為這些IC供電的電壓軌時。
單通道普通 TVS 二極管
養(yǎng)成一個好習(xí)慣 - 將TVS二極管放置在PCB的輸入/輸出兩端(而不僅僅是電源軌,盡管這是本原理圖中所示的)。將TVS盡可能靠近PCB的入口位置放置。
如上所示的TVS還可以防止反極性。在這種情況下,TVS將正向?qū)ú㈦妷后槲恢良s?0.7V。確保這會熔斷保險絲,或者TVS足夠大,可以無限期地維持功耗。
在+12V電源上同時使用保險絲和TVS到PCB。在這種情況下,保險絲放置在TVS二極管之前,因此如果+12V以錯誤的方式連接(電流通過F1和D1),保險絲也會熔斷,此處F1采用leiditech的PPTC系列產(chǎn)品。
TVS陣列 ESD 二極管
可以添加IC外部的額外二極管,以防止通過具有VCC和GND的ESD保護(hù)二極管的器件上的CMOS IO引腳泄漏電流。下圖顯示了如何將它們連接到受保護(hù)的IC。
添加外部ESD二極管。
但是,這種方法有其缺點。IC看到的實際電源電壓在二極管上降低兩倍的壓降(VfVf)(通常為2x 0.5-0.7V = 1.0-1.4V)。此外,IC接地現(xiàn)在與系統(tǒng)接地有很大不同。這可能會干擾單端ADC測量和其他模擬功能。
串聯(lián)電阻進(jìn)入 CMOS I/O
最常用的外部ESD保護(hù)方法是在ESD能量源和要保護(hù)的集成電路引腳之間添加一個小串聯(lián)電阻。有點違反直覺的是,小至50Ω的電阻可能會使CMOS IC的ESD抗擾度提高一倍。更高的免疫力是可能的;更高的保護(hù)水平與增加的串聯(lián)電阻成正比。此方法的工作原理有兩個原因。首先,串聯(lián)電阻與IC寄生引腳電容(通常為5至10 pF)配合使用,形成截止頻率低于1 GHz的單極點低通濾波器。這導(dǎo)致串聯(lián)電阻衰減大部分 ESD 事件的高頻能量(在 HBM 放電中高達(dá) 90% 的上升沿功率)。其次,當(dāng)IC保護(hù)電路正常工作時,其阻抗非常低(在幾十歐姆或更低的量級)。這種低電阻與串聯(lián)電阻一起工作,形成分壓器,因此ESD事件產(chǎn)生的高電壓只能使IC內(nèi)置保護(hù)電路偏置為總ESD電壓的一部分。這種衰減是對上升沿濾波的補(bǔ)充。這些影響的總和來自一個簡單的外部串聯(lián)電阻,在要求苛刻的應(yīng)用中顯著提高了ESD性能。
最佳放置
如果要將TVS二極管和串聯(lián)電阻作為ESD保護(hù)添加到CMOS I/O引腳(例如微控制器上的GPIO引腳),則最好先放置串聯(lián)電阻(更接近ESD事件的源),然后再放置TVS二極管(更靠近微控制器)。
這是允許的,因為電阻不會受到ESD的損壞,并且可以消耗大部分功率,僅留下部分用于TVS二極管,這意味著CMOS I/O引腳上的電壓不會像其他方式那樣變化。
上拉/下拉問題
串聯(lián)電阻的一個問題是,當(dāng)與上拉或下拉電阻配合使用時,它們可能會導(dǎo)致問題。上拉/下拉電阻在CMOS I/O輸出上很常見,這些輸出具有集電極開路(更常見的選擇)或發(fā)射極開路配置。問題在于,在特定情況下,ESD/限流串聯(lián)電阻和上拉/下拉電阻將形成分壓器。
檢查輸入的最大數(shù)字低電平和最小數(shù)字高電壓電平。如果它們?nèi)匀坏玫綕M足,那么您不必?fù)?dān)心。
總結(jié)
電子產(chǎn)品的接口防護(hù)需用過壓保護(hù)器件,很多工程師意識到要用保護(hù)器件,但由于選型不當(dāng)或沒按照ESD電路PCB設(shè)計原則,造成產(chǎn)品靜電測試或EMC測試不通過,產(chǎn)品多次驗證測試,浪費人力財力,造成產(chǎn)品延遲上市的事情總有發(fā)生,或過度設(shè)計,造成成本壓力。
雷卯電子專業(yè)為客戶提供電磁兼容EMC的設(shè)計服務(wù),提供實驗室做摸底測試,從客戶高效,控本方便完成設(shè)計,希望為更多的客戶能快速通過EMC的項目,提高產(chǎn)品可靠性盡力。
來源:上海雷卯電磁兼容,原創(chuàng):EMC小七
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