ESD保護電路的設計

日期：2025-08-05 12:15

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摘要：

ESD保護電路的設計

靜電放電（ESD）會給電子產品帶來致命的危害，它不僅降低了產品的可靠性，增加了維修成本，而且不符合歐洲共同體規定的工業標準EN61000-4-2，產品就不能夠在歐洲銷售。所以電子設備制造商通常會在電路設計的初期就考慮ESD保護。本文將討論ESD保護電路的幾種方法。

ESD的危害。ESD基本上可以分為三種類型，一是各種機器引起的ESD，二是家俱移動或設備移動引起的ESD，三是人體接觸或設備移動引起的ESD。這三種種ESD對于半導體器件的生產和電子產品的生產都非常重要。電子產品在使用過程*容易受到第三種ESD的損壞，便攜式電子產品尤其容易受到人體接觸產生的ESD的損壞。在一般情況下ESD會損壞與之相連的接口器件，另一種情況是遭受ESD沖擊后的器件可能不會立即損壞，而是性能下降導致產品過早出現故障。　

當集成電路（IC）經受ESD時，放電回路的電阻通常都很小，無法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路接口上時，放電回路的電阻幾乎為零，造成高達數十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應的IC管腳。瞬間大電流會嚴重損傷IC，局部發熱的熱量甚至會融化硅片管芯。ESD對IC的損傷還包括內部金屬連接被燒斷，鈍化層受到破壞，晶體管單元被燒壞。ESD還會引起IC的死鎖（LATCHUP）。這種效應和CMOS器件內部的類似可控硅的結構單元被激活有關。高電壓可激活這些結構，形成大電流信道，一般是從VCC到地。串行接口器件的死鎖電流可高達1A。死鎖電流會一直保持，直到器件被斷電。不過到那時，IC通常早已因過熱而燒毀了。ESD沖擊后可能存在兩個不易被發現的問題，一般用戶和IEC測試機構使用傳統的“環路反饋方法”和“插入方法”進行測試，通常檢測不出這兩個問題。

一個問題是RS-232接口電路中接收器對發送器產生交叉串擾。同類產品RS-232接口電路中的ESD保護結構可能對某種波形的ESD或某個ESD沖擊電壓失效，經過ESD沖擊后在接收器輸入端和發送器輸出端之間形成通路，從而導致接收器對發送器產生交調（圖1）。如果RS-232接口電路中有關斷電路，那么關斷期間經過ESD沖擊后更容易產生交調。產生交調后將導致通信失敗，而且即使關斷工作狀態下發送器仍有輸出，導致關斷失效，使對方RS-232處在接收狀態。　　

另一個問題是RS-232接口電路對電源產生反向驅動。某些RS-232接口電路中的ESD保護結構經過ESD沖擊后可能在輸入端與供電電源VCC之間形成電流通路（圖2），對供電電源產生反向驅動。如果供電電源沒有吸入電流的能力（通常來講電源輸出回路里有一個正向二極管），這將導致電源電壓VCC上升，從而損壞RS-232接口電路和系統內的其它電路。因為RS-232接口電路輸入端的電壓在5V到25V之間，使VCC有可能高于9V，超出電源電壓的*大范圍而燒壞電路。ESD保護電路*有效的保護措施是介質隔離：用絕緣介質把內部電路和外界隔離開。1mm厚的普通塑料如PVC，聚酯或ABS能夠保護8KV的ESD。但是實際的介質不可能沒有間隙和接縫，所以材料的蠕變和間隙距離非常重要。LCD顯示屏，觸摸屏等都有很厚的邊角（12mm）隔離內部電路。　　ESD保護的**個方法是屏蔽，防止大的ESD電流沖擊內部電路。ESD沖擊金屬屏蔽外殼時，*初幾毫秒會比保護地電壓高出許多，屏蔽外殼電壓會隨著ESD電荷的轉移而下降，所以*初的幾毫秒內會對內部電路產生二次ESD沖擊，所以僅僅使用外部屏蔽還不夠，內部電路與屏蔽外殼必須共地，或者把內部電路進行介質隔離。電氣隔離也是抑制ESD沖擊的一種有效方法，PCB板上安裝光耦合器或者變壓器，雖然不能完全消除ESD的沖擊，但是結合介質隔離和屏蔽可以很好的抑制EDS沖擊，光耦合器和變壓器尤其適合電源部分。信號通路*好的隔離是光纖，無線和紅外線方式。　　

在信號通路上使用的另一種保護方法是在每條信號線上外加阻容組件。串聯電阻能夠限制尖峰電流，并聯到地的電容則能限制瞬間的尖峰電壓。這樣做的成本低，但是防護能力有限。ESD的破壞力在一定程度上得到抑制，但依然存在。因為阻容組件并不能降低尖峰電壓的峰值，僅僅是減少了電壓上升的斜率。而且阻容組件還會引起信號失真，以致限制了通訊電纜的長度和通訊速率。外接的電阻/電容也增加了電路板面積。另一種廣泛使用的方法是外加電壓瞬變抑制器或TransZorb二極管。這種防護非常有效。但仍有一些缺點：外加器件仍會增加電路板面積；防護器件的電容效應會增加信號線的等效電容；成本較高。采用內部集成ESD防護功能的串行接口器件是一種有效的方法。這種器件比普通無防護功能的器件價格要高，但增加的費用比起外加防護二極管的費用要低。內部集成的ESD防護電路不會增加任何輸入輸出管腳的等效電容，也節省了電路板面積。Maxim公司近幾年發展了集成ESD防護技術，可以提供全系列的ESD防護串行接口器件，包括與標準器件完全兼容的產品。Maxim公司還將同樣的技術應用到仿真開關和開關去抖產品中。所有這些器件的ESD防護能力都符合±15kV IEC1000-4-2（氣隙放電），±8kV IEC1000-4-2（接觸放電），±15kV人體模型（HBM）測試標準。
Maxim公司的ESD保護技術歐洲共同體所規定的ESD保護有嚴格的測試標準：±15kV ESD人體模式測試標準；±8kV ESD IEC 1000-4-2接觸放電模式測試標準；±15kV ESD IEC 1000-4-2空氣間隙放電模式測試標準；±4kV ESD IEC 1000-4-4電氣快速瞬變/猝發模式測試標準。其中，IEC 1000-4-2與±15kV人體模式測試標準之間的主要差別在于峰值電流；相同電壓下，IEC 1000-4-2沖擊的吸收電流要比人體模式高出5倍以上。±4kV ESD IEC 1000-4-4電氣快速瞬變/猝發模式測試標準是仿真產生開關和繼電器的電弧放電結果。MAXIM器件可提供±4kV的保護：兩倍于IEC 1000-4-4標準的±2kV指針。　　

由于各個器件的ESD門限不同，每個器件在正常工作狀態，關斷狀態和斷電狀態的ESD門限不同，所以Maxim公司嚴格按照如下步驟進行測試：1、從±200V開始，每次增加500V對每個器件都用不同極性的電壓沖擊10次；2、每次沖擊后，檢查電源電流以確保器件沒有閉鎖，檢查發送器和接收器是否工作正常；3、重復上述步驟，直到器件損壞或達到ESD測試者的限制要求；4、用人體方式、IEC 1000-4-2接觸放電、IEC 1000-4-2空氣隙放電以及IEC 1000-4-4快速/瞬變/脈沖重復上述步驟；5、分別在正常工作狀態，關斷狀態和斷電狀態下重復測試。保證達到ESD保護的測試標準，且不發生交調與反向驅動問題。

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