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电路中的静电防护措施

本帖最后由 qwqwqw2088 于 2020-8-19 16:53 编辑

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

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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.

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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。

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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。

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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$.

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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。

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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。

翻盖机受话器上TVS管或压敏电阻应该放在哪?

很多人理解静电防护器件在layout时要靠近端口摆放,翻盖机或者滑盖机受话器(receiver,rec)上的TVS或压敏电阻要放在上板靠近rec的地方。其实不然,请看下面分析。

这是一个翻盖机或者滑盖机,的等效电路,TVS在上板,主IC在主板,中间用比较长的FPC连接。rec是个线圈,不怕静电,怕静电的是IC。

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        中间的电感分别是FPC上地网络和信号线的等效电感。当静电打在rec上时,由于TVS的钳位作用和等效电容存在,静电放电瞬时REC信号线上的电压Ub和小板的电压Ug可以看成相等的,静电荷要从FPC的地网络转移一部分到主板的地上,这时会在主板的地和小板的地之间产生一个压差Ug-0=Ug。对于信号线如果是高祖状态,即使FPC存在更大的等效电感,但是因为高阻抗不会产生电流,Ua和Ub可以看成是一致的,这样Ua=Ub=Ug,也就是芯片端和地之间会产生一个电压差,这个压差几乎等于放电瞬间小板地合主板地的电压差,这个电压差如果很大会使IC损坏。电压差大小取决于ESD放电的等级和FPC地上的等效阻抗和电感。如果是非高祖信号会有一点电流,电流大了芯片也就坏了。这样也可以近似看成Ua=Ub=Ug。因此TVS或压敏电阻放在上板如果静电达到rec上会有问题。

假如静电打在小板的地上,由于TVS或压敏的钳位和等效电容,同样Ub=Ug。由于FPC的地上等效电感存在,Ug和主板地会存在压差。信号线上没有电流Ua=Ub=Ug。Ua加在芯片端口上会打坏芯片。

        假如静电打在主板地上,主板地上电荷部分会往小板地转移,产生电流,电流在FPC地等效电感上产生电压,同样会在主板地和小板地之间的电压会直接加在芯片两端烧坏芯片。

        如果TVS或压敏电阻加在主板上,如图由于TVS或压敏的钳位作用,Ua和地之间电压不会太高起到保护芯片的作用。静电放在rec上,电流传导到主板上被TVS吸收掉,电荷打在小板地和主板地上都和信号线没有关系。

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静电防户器件应该放在哪?

rec情况如此,其他信号线电源也如此。

        上面分析的是用FPC连接两个板的情况,其实即使一块板子地上也会有阻抗的存在,这么看静电防护器件靠近芯片越近越好,即保护谁就靠近谁。特别是没有完整地层的板子。

        但有个问题如果靠近芯片在端口到TVS这段走线会存在大的放电电流和电压,这样会干扰到与其相邻的为保护的信号线。鉴于手机主板有完整地层,地上等效阻抗比较小,建议把静电防护器件放在主板的接口处,但不能放在小板,按键板等上面。


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纯净的硅(中级)

讲的太详细了,电路设计保护方面有很大的参考价值。


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