电路级ESD的防护方法

1、并联放电器件
常用的放电器件有tvs,齐纳二极管,压敏电阻,气体放电管等。如图
1.1、齐纳二极管( zener diodes ,也称稳压二极管 ) :利用齐纳二极管的反向击穿特性可以保护 esd敏感器件。但是齐纳二极管通常有几十 pf 的电容,这对于高速信号(例如 500mhz)而言,会引起信号畸变。齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的吸收作用。
1.2、瞬变电压消除器 tvs(transient voltage suppressor):tvs 是一种固态二极管,专门用于防止 esd 瞬态电压破坏敏感的半导体器件。与传统的齐纳二极管相比, tvs 二极管 p/n 结面积更大,这一结构上的改进使 tvs 具有更强的高压承受能力,同时也降低了电压截止率,因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。
tvs二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。该二极管的结具有较大的截面积,可以处理闪电和 esd所引起的高瞬态电流。tvs也会有结电容,通常0.3个pf到几十个pf。tvs有单极性的和双极性的,使用时要注意。手机上用的tvs大约0.01$,低容值的约2-3分$。
1.3、多层金属氧化物结构器件 (mlv):大陆一般称为压敏电阻。mlv也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制,此类器件具有非线性电压 - 电流 ( 阻抗表现 ) 关系,截止电压可达最初中止电压的 2 ~ 3倍。这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的静电或浪涌保护,如电源回路,按键输入端等。手机用压敏电阻约0.0015$,大约是tvs价格的1/6,但是防护效果没有tvs好,且压敏电阻有寿命老化。
2、串联阻抗
一般可以通过串联电阻或者磁珠来限制esd放电电流,达到防静电的目的。如图。如手机的高输入阻抗的端口可以串1k欧电阻来防护,如adc,输入的gpio,按键等。不要担心0402的电阻会被打坏,实践证明是打不坏的。这里不详细分析。用电阻做esd防护几乎不增加成本。如果用磁珠,磁珠的价格大 约0.002$,和压敏电阻差不多。
3、增加滤波网络
前面提到了静电的能量频谱,如果用滤波器滤掉主要的能量也能达到静电防护的目的。
对于低频信号,如gpio输入,adc,音频输入可以用1k+1000pf的电容来做静电防护,成本可以忽略,性能不比压敏电阻差,如果用1k+50pf的压敏电阻(下面讲的复合防护措施),效果更好,经验证明这样防护效果有时超过tvs。
对于射频天线的微波信号,如果用tvs管,压敏等容性器件来做静电防护,射频信号会被衰减,因此要求tvs的电容很低,这样增加esd措施的成本。对于微波信号可以对地并联一个几十nh的电感来为静电提供一个放电通道,对微波信号几乎没有影响,对于900mhz和1800mhz的手机经常用22nh的电感。这样能把静电主要能量频谱上的能量吸收掉很多。
4、复合防护
有一种器件叫emi filter,他有很好的esd防护效果,如图。emi filter也有基于tvs管的和基于压敏电阻的,前者效果好,但很贵,后者廉价,一般4路基于压敏电阻的emi价格在0.02$。
实际应用中可以用下面的一个电阻+一个压敏电阻的方式。他既有低通滤波器的功能,又有压敏电阻的功能,还有电阻串联限流的功能。是性价比最好的防护方式,对于高阻信号可以采用1k电阻+50pf压敏;对于耳机等音频输出信号可以采用100欧电阻+压敏电阻;对于tp信号串联电阻不能太大否则影响tp的线性,可以采用10欧电阻。虽然电阻小了,低通滤波器效果已经没有了,但限流作用还是很重要的。
5、增加吸收回路
可以在敏感信号附件增加地的漏铜,来吸收静电。道理和避雷针原理一样。在信号线上放置尖端放电点(火花隙)在山寨手机设计中也经常应用。


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