電路及esd靜電防護

2021-08-29 02:19:25 字數 3306 閱讀 5161

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1、併聯放電器件。

常用的放電器件有tvs,齊納二極體,壓敏電阻,氣體放電管等。如圖

1.1、齊納二極體( zener diodes ,也稱穩壓二極體 ) 。 利用齊納二極體的反向擊穿特性可以保護 esd敏感器件。但是齊納二極體通常有幾十 pf 的電容,這對於高速訊號(例如 500mhz)而言,會引起訊號畸變。齊納二極體對電源上的浪湧也有很好的吸收作用。

1.2、瞬變電壓消除器 tvs(transient voltage suppressor) 。 tvs 是一種固態二極體,專門用於防止 esd 瞬態電壓破壞敏感的半導體器件。與傳統的齊納二極體相比, tvs 二極體 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,因而對於保護手持裝置低工作電壓迴路的安全具有更好效果。

tvs二極體的瞬態功率和瞬態電流效能與結的面積成正比。該二極體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$,低容值的約2-3分$。

1.3、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衝擊抑制,此類器件具有非線性電壓 - 電流 ( 阻抗表現 ) 關係,截止電壓可達最初中止電壓的 2 ~ 3倍。這種特性適合用於對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪湧保護,如電源迴路,按鍵輸入端等。手機用壓敏電阻約0.0015$,大約是tvs**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埠可以串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。這裡不詳細分析。用電阻做esd防護幾乎不增加成本。如果用磁珠,磁珠的**大約0.002$,和壓敏電阻差不多.

3、增加濾波網路

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。

對於低頻訊號,如gpio輸入,adc,音訊輸入可以用1k+1000pf的電容來做靜電防護,成本可以忽略,效能不比壓敏電阻差,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。

對於射頻天線的微波訊號,如果用tvs管,壓敏等容性器件來做靜電防護,射頻訊號會被衰減,因此要求tvs的電容很低,這樣增加esd措施的成本。對於微波訊號可以對地併聯乙個幾十nh的電感來為靜電提供乙個放電通道,對微波訊號幾乎沒有影響,對於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也有基於tvs管的和基於壓敏電阻的,前者效果好,但很貴,後者廉價,一般4路基於壓敏電阻的emi**在0.02$.

實際應用中可以用下面的乙個電阻+乙個壓敏電阻的方式。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。是價效比最好的防護方式,對於高阻訊號可以採用1k電阻+50pf壓敏;對於耳機等音訊輸出訊號可以採用100歐電阻+壓敏電阻;對於tp訊號串聯電阻不能太大否則影響tp的線性,可以採用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、增加吸收迴路

可以在敏感訊號附件增加地的漏銅,來吸收靜電。道理和避雷針原理一樣。

在訊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。

翻蓋機受話器上tvs管或壓敏電阻應該放在哪?

很多人理解靜電防護器件在layout時要靠近埠擺放,翻蓋機或者滑蓋機受話器(receiver,rec)上的tvs或壓敏電阻要放在上板靠近rec的地方。其實不然,請看下面分析。

這是乙個翻蓋機或者滑蓋機,的等效電路,tvs在上板,主ic在主機板,中間用比較長的fpc連線。rec是個線圈,不怕靜電,怕靜電的是ic。

中間的電感分別是fpc上地網路和訊號線的等效電感。當靜電打在rec上時,由於tvs的鉗位作用和等效電容存在,靜電放電瞬時rec訊號線上的電壓ub和小板的電壓ug可以看成相等的,靜電荷要從fpc的地網路轉移一部分到主機板的地上,這時會在主機板的地和小板的地之間產生乙個壓差ug-0=ug。對於訊號線如果是高祖狀態,即使fpc存在更大的等效電感,但是因為高阻抗不會產生電流,ua和ub可以看成是一致的,這樣ua=ub=ug,也就是晶元端和地之間會產生乙個電壓差,這個壓差幾乎等於放電瞬間小板地合主機板地的電壓差,這個電壓差如果很大會使ic損壞。電壓差大小取決於esd放電的等級和fpc地上的等效阻抗和電感。如果是非高祖訊號會有一點電流,電流大了晶元也就壞了。這樣也可以近似看成ua=ub=ug。因此tvs或壓敏電阻放在上板如果靜電達到rec上會有問題。

假如靜電打在小板的地上,由於tvs或壓敏的鉗位和等效電容,同樣ub=ug。由於fpc的地上等效電感存在,ug和主機板地會存在壓差。訊號線上沒有電流ua=ub=ug。ua加在晶元埠上會打壞晶元。

假如靜電打在主機板地上,主機板地上電荷部分會往小板地轉移,產生電流,電流在fpc地等效電感上產生電壓,同樣會在主機板地和小板地之間的電壓會直接加在晶元兩端燒壞晶元。

如果tvs或壓敏電阻加在主機板上,如圖由於tvs或壓敏的鉗位作用,ua和地之間電壓不會太高起到保護晶元的作用。靜電放在rec上,電流傳導到主機板上被tvs吸收掉,電荷打在小板地和主機板地上都和訊號線沒有關係。

靜電防戶器件應該放在哪?

rec情況如此,其他訊號線電源也如此。

上面分析的是用fpc連線兩個板的情況,其實即使一塊板子地上也會有阻抗的存在,這麼看靜電防護器件靠近晶元越近越好,即保護誰就靠近誰。特別是沒有完整地層的板子。

但有個問題如果靠近晶元在埠到tvs這段走線會存在大的放電電流和電壓,這樣會干擾到與其相鄰的為保護的訊號線。鑑於手機主機板有完整地層,地上等效阻抗比較小,建議把靜電防護器件放在主機板的介面處,但不能放在小板,按鍵板等上面。

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