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1、电子产品的静电放电防护设计电子产品的静电放电防护设计 褚建民 摘摘 要 结合微机显示终端的设计经验 就静电放电防护的意义 静电产生的机 理 保护电路的要求 常用保护电路的特点 选用原则 PCB 布线应注意的事项 等进行探讨 关键词关键词 静电放电 防护设计 保护电路 1 1 引言引言 有些电子设备在正常使用时莫名其妙地发生故障 在排除了其它原因后 就 要考虑因静电放电 ESD 造成的损坏 一个值得信赖的操作员即使在正常的设备 操作中也可能因衣服或皮肤带有危害的电荷而使机器 死机 甚至损坏硬件设 备 现代半导体器件的规模越来越大 布线工艺已达到亚微米阶段 导致了半导 体器件对外界应力敏感程度的提
2、高 ESD 对于电路引起的干扰及其对元器件特别 是对 CMOS 电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视 电路及其构成的电子 设备的 ESD 电敏感度测试也开始作为电磁容性测试的一项重要内容 本文讨论 ESD 的机理及电路设计时的保护措施 2 2 ESDESD 的机理的机理 两种物体相互摩擦时 由于电子与离子的亲和性不同 会在两物体间引起电 子与离子的移动 形成一方带正电荷 另一方带负电荷 当两物体离开后 在各 物体上产生额外的电荷 当积累的电荷达到一定量后 电荷会向相反极性的一方 迁移 这时就发生放电现象 人体的转动引起衣服间的相互摩擦 或人在地毯 非 防静电地毯 上行走 都会使人体带静电
3、其电压可达 2 kV 15 kV 众所周知 CMOS 器件最怕静电 这是 CMOS 器件的氧化膜工艺决定的 当然 不同于早期的 CMOS 器件 现在的 CMOS 器件的引脚内部都设有保护电路 但由于 面积的限制 其等效二极管的结面积不可能很大 从而使其能力十分有限 因此 在使用 CMOS 器件设计系统的接口电路 包括系统内各模块之间的接口 时仍然要 考虑加保护电路 3 3 保护电路保护电路 一个良好的电子系统设备应该在电路设计的最初阶段就考虑瞬态保护要求 保护电路的基本原理是 使用电压箝位电路阻止高压进入栅极 同时提供大电流 分流通道 有多种电路设计可以达到 ESD 保护的目的 但选用时必须考
4、虑以下原 则 并在性能和成本之间加以权衡 速度要快 这是 ESD 干扰的特点决定的 能应付大的电流通过 考虑瞬态电压会在正 负极性两个方向发生 对信号增加的电容效应和电阻效应控制在允许范围内 考虑体积因素 考虑产品成本因素 常用的瞬态抑制保护电路有以下几种 1 箝位二极管保护电路 工作原理如图 1 所示 使用 2 只二极管的目的是 为了同时抑制正 负极性的瞬态电压 瞬态电压被箝位在 V VPN V VPN范围内 串联电阻担负功率耗散的作用 利用现有电源的电压范围作为瞬态电压的抑制范 围 二极管的正向导通电流和串联电阻的阻值决定了该电路的保护能力 但这些 元件参数的选定必须兼顾不影响信号正常传输
5、的要求 通过笔者对 1 万台以上产 品的试用证明 本电路具有极好的保护效果 同时其代价低廉 是理想的保护电 路 适合成本控制比较严 静电放电强度和频率不十分严重的场合 图 1 箝位二极保护电路 2 压敏电阻保护电路 压敏电阻的阻值随两端电压变化而呈非线性变化 当施加在其两端的电压小于阈值电压时 器件呈现无穷大的电阻 当施加在其两 端的电压大于阈值电压时 器件呈现很小电阻值 此物理现象类似稳压管的齐纳 击穿现象 不同的是压敏电阻无电压极性要求 使用压敏电阻保护电路的特点是 简单 经济 瞬态抑制效果好 对电路带来的负面影响甚微 且可以获得较大的 保护功率 3 稳压管保护电路 背对背串接的稳压管对瞬
6、态抑制电路的工作原理是显 而易见的 当瞬态电压超过 V1的稳压值时 V1反向击穿 V2正向导通 当瞬态电 压是负极性时 V2反向击穿 V1正向导通 将这 2 只稳压管制作在同一硅片上就 制成了稳压管对 使用更加方便 4 TVS 瞬态电压抑制器 二极管 这是最近发展起来的一种固态二极管 专门用于 ESD 保护 一般选择工作电压大于或等于电路正常工作电压的器件 TVS 二极管是和被保护电路并联的 当瞬态电压超过电路的正常工作电压时 二极管 发生雪崩 为瞬态电流提供通路 使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的 过热烧毁 由于 TVS 二极管的结面积较大 使得它具有泄放瞬态大电流的优点 具有理想的保
7、护作用 但同时必须注意 结面积大造成结电容增大 因而不适合 高频信号电路的保护 改进后的 TVS 二极管还具有适应低压电路 5 V 的特点 且封装集成度 高 适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用 这些特点决定了它有广泛的适 用范围 尤其在高档便携设备的接口电路中有很好的使用价值 下文介绍哪些电路需加保护 一般来说 与外部设备连接的接口电路都需要加保护电路 其中也包括电源 线 这一点往往被硬件设计所忽视 以微机显示终端的设计作为例子来讲 应该 考虑安排保护电路的环节有 串行通信接口 并行通信接口 键盘接口 显示接 口等 串行接口是故障发生概率最高的模块 原因是多方面的 一般认为系统地线 噪声是
8、主要原因 而用户盲目地将设备的电源插头插入火 零 地线混乱的电源 座也是不罕见的 本文从 ESD 防护的角度来分析这个问题 认为 ESD 同样会导致 串行口的器件故障 通信电缆不恰当的敷设方法 常常导致通信电缆成为 ESD 后有害电流的入侵途径 人体或其它目标对设备整机放电后 会造成整机地电位 的改变 此时串行口电路又成了受害者 当通信速率在 115 2 kb s 以下时 给串行口选择保护电路较容易 上面介 绍的几种电路均可使用 但要注意 保护电路给通道增加的电容值和电阻值要保 持在能够承受的范围内 过大的串联电阻会影响串行通信的传输距离 比如 在 串行口设置保护后 有些需要从串行口的信号线取
9、得电流 维持电路工作的 无 源 设备往往会工作不正常 所以保护电路中的器件参数必须精心计算 除了在 串行接口电路中安排额外的保护电路外 选择内部带有 ESD 保护功能的接口器件 也是可取的办法 市场上带有 ESD 保护功能的接口器件的售价往往是常规器件的 5 10 倍 这又让设计者不敢问津 而 TI 公司的 75185 是价廉物美的器件 并行接口 键盘接口加保护措施的必要性在于其电路采用了 LSI 特别是 FPGA ASIC 等可编程门阵列 给电路带来的不安全因素 如果像 IBM 的早期产 品 IBM PC XT 一样 使用 74LS322 来实现键盘电路 那么正常操作键盘 或者带 电插拔键盘
10、不会引起键盘口的损坏 或者说损坏的概率极低 只有用放电装置专 门对键盘放电时 才会引起键盘接口的损坏 然而 采用 FPGA ASIC 等可编程 门阵列后 情况就完全不同 在没有保护的情况下 电路板在车间流水线上调试 时 会发现接口的损坏 用户正常操作时也会损坏设备 尤其在少雨地区更是如 此 这时 带电插拔打印机 键盘等冒险操作是绝对不允许的 显示接口的保护更有必要 这是因为显示控制器的设计已由以前的时钟 核 心 数模转换器三部分发展成为单片方案 因此显示控制器制造厂家已在向用户 提供的推荐电路中增加了保护电路 显示和逻辑主板一体化后 虽然显示信号在 内部互联 不向外输出 但其保护的必要性并没有
11、降低 其原因是 一体式机器 中显示电路的打火产生的强电脉冲会轻易地导入显示信号接口电路 另外 无论 一体式显示设备或分体式显示设备 往往设计有对比度调节旋纽 被用长线引到 显示器的面框上 如果旋纽结构不合理或安装不周密 带静电的手指也会放电 要注意针对不同信号选择不同的电路 行同步 场同步信号是 TTL 输出 大多数 保护电路都适用 RGB 视频信号输出电压是 0 7 V 峰 峰值 根据笔者设计经 验 使用串有电阻的二极管箝位电路具有很好的保护效果 箝位电压范围可以是 0 5 V 印制电路板布线是抗瞬态冲击设计的重要方面 保护通道中的寄生电感会产 生电压尖峰 量值会超过 IC 的引脚所能承受的
12、极限值 根据 IEC 1000 4 2 标准 ESD 产生的瞬态冲击可能在 1 ns 内达到峰值 在 1 cm 长的引线上就会产生 80 V 电压 10 A 电流的脉冲 因此 设计时必须努力减小被保护信号线以及信号回 路 地线 上的寄生电感量 可采取的措施有 尽量缩短引线长度 加大信号线 宽度 印制导线敷锡等 4 4 结束语结束语 保护电路设计在设备使用过程中以及在产品的制造 运输安装阶段均有重要 意义 据一家显示器厂统计 在产品设计中未对视频输入通道和行 场同步通道 增加箝位保护时 其半成品在生产线上经常发生视频通道三极管以及行 场 IC 的失效 但在这些通道上设计箝位保护电路后 几乎不再发现同类失效的例子 作者单位 作者单位 常州国光电子总公司 江苏省常州市 213015
