ESD保护电路的几种方法

1 ESD 的产生及危害 当两个物体碰撞或分离时就会产生静电放电ESD 即静态电荷从一个物体移动到另一个物体两个具有不同电势的物体之间产生静态电荷的移动，类似于一次很小的闪电过程放电量的大小和放电持续时间取决于物体的类型和周围的环境等多种因素，当ESD 具有足够高的能量时将造成半导体器件的损坏静电放电ESD 可能随时发生例如插拔电缆或人体接触器件的I/O 端口或者是一个带电的物体接触半导体器件半导体器件触地以及静电场和电磁干扰产生足够高的电压引起静电放电ESD。 ESD 基本上可以分为三种类型，一是各种机器引起的ESD， 二是家具移动或设备移动引起的ESD ，三是人体接触或设备移动引起的ESD ，所有这三种ESD 对于半导体器件的生产和电子产品的生产都非常重要电子产品的使用过程最容易受到第三种ESD 的损坏，便携式电子产品尤其容易受到人体接触ESD 的损坏ESD 一般情况下会损坏与之相连的接口器件，另一种情况是遭受ESD冲击后的器件可能不会立即损坏而是性能下降导致产品过早出现故障。 当集成电路IC 经受ESD 时放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流例如将带静电的电缆，插到电路接口上时放电回路的电阻几乎为零造成可高达几十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的IC管脚瞬间大电流会严重损伤IC 局部发热的热量甚至会融化硅片管芯ESD， 对IC 的损伤一般还包括内部金属连接被烧断钝化层被破坏晶体管单元被烧坏。 ESD 还会引起IC的死锁LATCHUP 这种效应和CMOS 器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关高电压可激活这些结构形成大电流通道一般是从VCC 到地串行接口器件的锁死电流可高达1 安培锁死电流会一直保持直到器件被断电不过到那时IC 通常早已因过热而烧毁了ESD冲击后可能存在两个不易被发现的问题一般用户和IEC测试机构使用传统的环路反馈方法和插入方法进行测试通常检测不出这两个问题。 1 RS-232 接口电路中接收器对发送器产生交叉串扰 同类产品RS-232 接口电路中的ESD 保护结构可能对某种波形的ESD或某个ESD 冲击电压失效经过ESD冲击后造成接收器输入端和发送器输出端之间形成通路从而导致接收器对发送器产生交调图一如果RS-232 接口电路中有关断电路那么关断期间经过ESD 冲击后更容易产生交调产生交调后将导致通信失败而且即使关断工作状态下发送器仍有输出导致关断失效使对方RS-232处在接收状态。

2 RS-232 接口电路对电源产生反向驱动 某些RS-232 接口电路中的ESD 保护结构经过ESD 冲击后可能在输入端与供电电源Vcc之间形成电流通路图二对其供电电源产生反向驱动如果供电电源没有吸入电流的能力通常来讲电源输出回路里有一个正向二极管这将导致电源电压Vcc 的增加从而损 坏RS-232 接口电路和系统内的其它电路因为RS-232 接口电路输入端的电压在5V 到25V之间使Vcc 有可能大于9V 超出电源电压的最大范围而烧坏电路。 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。

ESD（Electrostatic Discharge Protection Devices），静电保护器件，亦称瞬态电压抑制二极管阵列（TVS Array），是由多个TVS晶粒或二极管采用不同的布局设计成具有特定功能的单路或多路ESD保护器件。ESD静电保护二极管响应速度快（小于0.5ns）、低电容、低导通电压、高集成度、小体积、易安装，可以同时实现多条数据线保护，是业内最理想的高频数据保护器件。

ESD静电保护二极管，主要应用于各类通信接口的静电保护，如USB、HDMI、RS485、RS232、VGA、RJ11、RJ45、BNC、SIM、SD等。同时，ESD静电保护元器件封装多样化，从单路的SOD-323到多路的SOT-23、SOT23-6L、QFN-10等，电路设计工程师可以根据电路板布局及接口类型选择不同封装的ESD静电保护二极管。 

SOT-23封装ESD静电保护二极管

电子产品设计中必须遵循抗静电释放(ESD)的设计规则，因为大多数电子产品在生命周期内99%的时间内都会直接暴露在ESD环境中，ESD干扰会导致设备锁死、复位、数据丢失或可靠性下降。对于电子产品来说，如果ESD没有设计好，常常会造成电子设备运行不稳定，甚至损坏，所以工程师们需要考虑设计中的ESD问题，并掌握基本的解决之道。鉴于此，今天工程师小何就和大家谈谈在PCB设计中，如何提高PCBA（即电路板）的ESD防护的方法。小提示：关于ESD原理、模型方面，下面链接文章写的很清楚，大家可以点击查看~~~ESD(静电放电)原理、模型及防护一、ESD三要素ESD产生的三要素是干扰源、耦合路径和敏感设备，这三个要素中缺少其中的任何一个，都不会产生ESD问题。在PCB设计中，ESD的防护主要考虑的是ESD防护器件的布局及布线处理，以消除前述所说的ESD三要素中的其中一个或几个。何为干扰源、耦合路径和敏感设备？干扰源：产生ESD干扰的元器件、电子设备、系统或者自然干扰源；耦合路径：使能量从干扰源耦合（或者传输）到敏感设备上，并使敏感设备产生响应的媒介；敏感设备：对ESD干扰产生响应的设备，敏感设备可以是一个很小的元器件或者是某个电路模块，甚至是一个大系统；ESD 三要素二、PCB设计中的ESD防护在进行PCB设计时，要考虑ESD的防护，PCB布局和布线是ESD防护的一个关键要素，合理的PCB设计可以减少故障检查及返工所带来的不必要成本。在增强PCB板ESD防护方面，我们主要分类成两部分讨论。第一，PCB布局走线方面；第二，结构接口方面。在PCB布局走线方面，有以下几点：1、在添加ESD防护器件的位置，尽量不要走关键信号线；2、将敏感信号（如时钟、复位信号等）电路远离PCB边缘布局，防止因静电瞬间干扰造成了芯片的异常复位，当PCB是由多层板构成时，敏感信号要用地线保护，并尽量远离PCB边缘；3、加大地的泄放面积，在进行铺铜处理时，要保证铺铜均匀，保持对地阻抗不变；4、把对静电比较敏感的元器件，比如CPU等芯片，放置在离ESD放电源头比较远的地方。这样确保在打静电时，可能的介入点离敏感的元器件的距离比较远，将受到的干扰影响降低到最小，经验表明，8kv左右的静电经过5mm的距离后可完全衰减；5、在PCB板边四周放置环形的地网络，每一层都添加，环形线的宽度为2.5mm以上，并以过孔将不同层的地网络等距离连接起来，过孔间距为13mm。需要注意的是，这个环形走线不要形成闭环的，否则形成了闭环的网络会造成天线效应，带来辐射方面的影响，因此，环形的绘制中注意留一个缝隙，缝隙间距大于0.5mm；6、把静电防护元器件（TVS管、LC滤波器、铁氧磁珠、高压电容等）放在板间接口等保护位置，因为接口是ESD的入口，在最近的地方放置防护器件，效果较好，而且能降低给其他地方的电路带来自身的自感、耦合等干扰；7、如果是多层板，尽量保证有一个完整的地网络层，保证重要信号能与地有效的耦合，这样能使ESD电流顺利耦合到低阻抗的额地平面，保护了关键信号，同时也减小了回路路径长度；8、根据ESD的防护需求，结构允许情况下，适当增加屏蔽罩也是一个不错的方案。在结构接口方面，有以下几点：1、一般防雷保护器件的顺序是压敏电阻、熔丝、抑制二极管、EMI器件、电感或共模电感，对于原理图缺失上面任意器件则顺延布局；2、一般对接口信号的保护器件的顺序是：ESD(TVS管)、隔离变压器、共模电感、电容、电阻，对于原理图缺失上面任意器件顺延布局，严格按照原理图的顺序（要有判断原理图是否正确的能力）进行“一字型”布局；3、电平变换芯片（如RS232）靠近连接器(如串口)放置；4、易受ESD干扰的器件，如NMOS、 CMOS器件等，尽量远离易受ESD干扰的区域（如单板的边缘区域；5、接口保护器件应尽量靠近接口放置，且固定孔要连接到整机信号地上。三、总结ESD的设计学问太深了，作为大部分时间在研究射频的我，无法给再大家做更深入的研究。在这里也只是抛砖引玉给大家科普一下了，基本上ESD的方案有如下几种：电阻分压、二极管、MOS、寄生BJT、SCR(PNPN structure)等几种方法。当然，术业专攻，学无止境，工作中只有不断学习才会创收更高效益。总之，ESD虽然可怕，甚至会带来严重后果，但是，只要工程师在PCB走线布局和结构接口方面做好防护措施，那么就能有效的进行ESD的防护。

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