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如何做好静电防护,必看!

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    发表于 2018-11-7 17:37:19 | 显示全部楼层 |阅读模式

    静电在生活中无所不在,几乎所有的电子元件都要做防静电设计,静对于电路的危害,轻则影响电路正常工作,重则直接烧毁电子元件。昂贵的电子元件不仅要保证不被ESD损毁,且精密的电子元件还要保护不能受ESD影响。这就需要工程师在设计电路时要对ESD了解十分充分,

    几乎每个人都有接触过静电放电的体验,就是冬天脱毛衣的那一霎那起的火花,就是瞬间释放积累起来的静电。所以现在很多实验室中都有特别的防静电设计,来满足特殊仪器的防静电要求。为了避免静电的干扰,也有很多的规范需要我们遵循保证精密的电子元件不被静电烧坏。

    在处理和组装未受保护的电子元件时不能造成任何损坏,这是一种电路设计挑战。因为需要保证系统承受住ESD的冲击,之后仍能正常工作,更好的情况是经过ESD事件后不发生用户可觉察的故障。

      与人们的常识相反,设计人员完全可以让系统在经过ESD后不发生故障并仍能继续运行。只要我们能找到ESD冲击时发生了什么,就可以在源头上找到这个问题的根源来解决这个问题。

    一、ESD产生原理

      破坏受损电路的高瞬态电压一般具有几个纳秒的上升时间和大约100纳秒的放电时间。受损电路不同,对正负冲击的敏感性可能也有很大的不同,因此你需 要同时处理好正负冲击。人体模型(HMB)和机器模型(MM)这两种最常见模型之间的区别主要在于串联电阻。人体模型的导电性没有金属那么好。

      防止过压损坏的最佳保护措施是用非线性电路进行限压或钳位。最常用的是专门的二极管,当它们在前向偏置或处于齐纳击穿区时具有很低的阻抗。引入限压器可以快速引起某些别的事件,因为通过电容放电会有大的浪涌电流经过限压器。

      虽然消除了高瞬态电压,但代之以几个安培的浪涌电流可能会导致系统中出现其它问题。具体取决于随后路径的总阻抗,浪涌电流可以达到几个安培。在为芯片设计I/O单元时,经常看到4A至16A的浪涌电流进入器件。处理如此巨大的瞬态浪涌电流已经成为ESD设计中的大问题。限制电压还算比较容易,但形成 的电流可能使系统中其它地方的电路和地发生逆转。

      电源通常沿着地线传播,并且是电源去耦电容的函数,因此系统核心仍能正常工 作。不过连到电路板上的控制线可能出现混乱,因为它们是相对板外的地而建立的。结果可能在某个位置发生ESD事件,并致使电路板上的某个输入端看起来出现故障。

    二、如何建立防护

      利用板级ESD,你可以尝试建立一个堡垒,并在“护城河”上建立多个受控的接入点。连接到“城墙”之外的部分可以被广义地分成几个类别:协议受控的数据、 低带宽检测和控制线以及高速接口。前两个比较容易处理,第三个具有一定程度的挑战性。让这三部分免遭ESD破坏有几种不同的方法。

      不管最终产品是什么样,某种形式的保护性外壳将成为设备的一部分。隔离外壳内的电路是需要仔细考虑的第一道防线。在理想情况下,连接电路板地的金属外壳通常能起使用,但现代产品经常采用非导电性的塑料或其它现代材料。

      电路设计人员通常没法控制建造城墙的材料,但对保护堡垒负有不可推卸的责任。在设计外壳时需要注意,到达机箱外部任何部分的ESD都会有无数路径进入内部电路。

      建立一个PCB能够自我防止ESD冲击的堡垒可以从低阻抗的接地方法开始。建立一个地基和正常的电源完整性可以让印刷电路板(PCB)保持整个板上的信号完整性,即使是受到巨大的地浪涌电流冲击的时候。

      作为一个设计工程师,你会要求每个人系好他们的安全带,这样可以对付少量的气流。飞机可能快速地上下摆动,但如果每个人都系好了安全带,那么所有人都会固定在原位,飞机也会继续飞行。在这之后,你需要保护外部连接,并限制ESD事件效应。

      保护电路应该位于电路板入口位置,而不是入口点的下游。需要处理的可能是电弧问题引起的数千伏电位,或者最好在电路板边缘位置处理的数安培的浪涌电流。

    三、保护设计

      瞬态电压抑制(TVS)限制二极管可以用作限压器。它们分为普通电压、逻辑电平和电源电压。常见的电压种类有:12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.2V。

      这个数字应该看起来比较熟悉,因为这些器件是专门针对与许多CMOS器件有关的需求设计的。一种规格不可能满足所有需求,它们应该是适合要保护器件的正确电压。

      现代CMOS工艺显著降低了电源电压,以保护没有很多设计余量且电压范围有限的晶体管,这点值得我们尊敬。这些器件一般使用代工工艺制造,这种代工工艺可以用小型封装提供具有低阻抗特性的大电流器件。

      在输入线上放置TVS限压器可以保护输入端免遭ESD的破坏性损害(图4)。但这种限压器无法处理在主机处理时发生的信号混乱现象,也无法处理由于巨大的地电流浪涌而发生的逆转效应。

    简单的限压电压可以提供过压保护,但可能导致浪涌电流问题,浪涌电流应该被限制,而信号应该保持相对局部地的稳定性。如前所述,HBM和MM之间的性能区别是非常大的。在许多情况下,在TVS器件之前增加一些串联电阻有助于限制电流浪涌,并减少地线反弹。与HBM一样,最终结果是减少系统应力。

      通常带宽限制本身不会解决ESD问题。低通滤波器对小型ESD的衰减也要求60dB至150dB才能消除瞬态电压,这对简单的无源滤波器来说是很难做到的。TVS限压器可以将信号下拉到电源轨之间。


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    发表于 2018-11-8 17:39:24 | 显示全部楼层
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