解读ESD保护电路的设计

解读ESD保护电路的设计

2 ESD 保护电路

       ESD 的产生是当两个物体碰撞或分离时即静态电荷从一个物体移动到另一个物体所以ESD最有效的保护是介质隔离是用绝缘介质把内部电路和外界隔离开1mm 厚的普通塑料如PVC 聚酯或ABS 能够保护8KV 的ESD 但是实际的介质不可能没有间隙和接缝所以材料的蠕变和间隙距离非常重要LCD显示屏触摸屏等都有很厚的边角12mm 隔离内部电路。

       ESD 保护的第二个有效方法是屏蔽防止大的ESD 电流冲击内部电路ESD 冲击金属屏蔽外壳时最初几毫秒会比保护地电压高出许多屏蔽外壳电压会随着ESD电荷的转移而下降所以最初的几毫秒内会对内部电路产生二次ESD冲击所以仅仅使用外部屏蔽是不够的而要把内部电路与屏蔽外壳共地或者把内部电路进行介质隔离电气隔离也是一种抑制ESD 冲击的有效方法PCB 板上安装光耦和变压器虽然不能完全消除ESD的冲击但是结合介质隔离和屏蔽可以很好的抑制EDS冲击光耦和变压器尤其适合电源部分信号通路最好的隔离是光纤无线和红外线方式信号通路上的另一种保护方法是在每条信号线上外加阻容元件串联电阻能够限制尖峰电流并联到地的电容则能限制瞬间的尖峰电压这样做的成本低但是防护能力有限ESD的破坏力在一定程度上得到抑制但依然存在因为阻容元件并不能降低尖峰电压的峰值仅仅是减少了电压上升的斜率而且阻容元件还会引起信号失真以致限制了通讯电缆的长度和通讯速率外接的电阻/电容也增加了电路板面积。

       另一种广泛使用的技术是外加电压瞬变抑制器或TransZorb?二极管这种防护非常有效，但仍有一些缺点外加器件仍会增加电路板面积防护器件的电容效应会增加信号线的等效电容成本较高TransZorb?二极管价格较贵大约25 美分/每个典型的3 发/5
收的COM 端口需要8 个TransZorb?二极管费用高达$2一种有效的方法是采用内部集成ESD 防护功能的串行接口器件这种器件比普通无防护功能的器件价格要贵但增加的费用比起外加防护二极管的费用要低内部集成的ESD，防护电路不会增加任何输入输出管脚的等效电容也节省了电路板面积MAXIM公司近几年发展了享有专利的集成ESD防护技术并可提供全系列的ESD防护串行接口器件包括与标准器件完全兼容的产品MAXIM公司还将同样的技术应用到模拟开关和开关去抖产品中所有这些器件的ESD 防护能力都符合15kV IEC1000-4-2 气隙放电8kVIEC1000-4-2 接触放电15kV人体模型HBM 测试标准下表是MAXIM公司具有抗静电功能的器件。

3 MAXIM 公司的ESD 保护技术

       欧洲共同体所规定的ESD 保护有其严格的测试标准

       对于正常工作方式下ESD 结构必须完全透明

       ESD 过程中不能发生闭锁现象

       必须通过所有相关ESD 测试标准

       15kV ESD 人体模式测试标准

       8kV ESD IEC 1000-4-2 接触放电模式测试标准

       15kV ESD IEC 1000-4-2 空气间隙放电模式测试标准

       4kV ESD IEC 1000-4-4 电气快速瞬变/猝发模式测试标准

       其中IEC 1000-4-2 与15kV 人体模式测试标准之间的主要差别在于峰值电流相同电压下IEC 1000-4-2 冲击的吸收电流要比人体模式高出5 倍以上4kV ESD IEC 1000-4-4电气快速瞬变/猝发模式测试标准是模拟产生开关和继电器的电弧放电结果MAXIM 器件可提供4kV 的保护两倍于IEC 1000-4-4 标准的2kV 指标。

       在现实世界中ESD所产生的波形可能是各种各样的不管是何种波形MAXIM的工程师设计出了适应性非常强的结构对器件提供ESD 保护因为每个器件的ESD门限不同每个器件在正常工作状态关断状态和断电状态的ESD门限不同所以MAXIM 公司严格按照如下步骤进行测试

       1 从200V 开始每次增加500V 对每个器件都用不同极性的电压冲击10 次

       2 每次冲击后检查电源电流以确保器件没有闭锁检查发送器和接收器是否工作正常

       3 重复上述步骤直到器件损坏或达到ESD 测试者的限制要求

       4 用人体方式IEC 1000-4-2 接触放电IEC 1000-4-2 空气隙放电以及IEC 1000-4-4快速/瞬变/脉冲重复上述步骤

       5 分别在正常工作状态关断状态和断电状态下重复测试保证达到ESD 保护的测试标准且不发生交调与反向驱动问题。