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电路及ESD静电防护

金螳螂建筑装饰股份通讯 2025-01-25 0

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静电,常日都是人为产生的,如生产、组装、测试、存放、搬运等过程中都有可能使得静电累积在人体、仪器或设备中,乃至元器件本身也会累积静电,当人们在不知情的情形下使这些带电的物体打仗就会形成放电路径,瞬间使得电子元件或系统遭到静电放电的破坏(这便是为什么以前修电脑都必须要配戴静电环托在事情桌上,防止人体的静电损伤芯片),犹如云层中储存的电荷瞬间击穿云层产生剧烈的闪电,会把大地劈开一样,而且常日都是在雨天来临之际,由于空气湿度大易形成导电通到。

那么,如何防止静电放电损伤呢?

电路及ESD静电防护 电路及ESD静电防护 互联通信

并联放电器件

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(图片来自网络侵删)

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

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。
但是齐纳二极管常日有几十 pF 的电容,这对付高速旗子暗记(例如 500MHz)而言,会引起旗子暗记畸变。
齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的接管浸染。

1.2、瞬变电压肃清器 TVS(Transient Voltage Suppressor) 。
TVS 是一种固态二极管,专门用于防止 ESD 瞬态电压毁坏敏感的半导体器件。
与传统的齐纳二极管比较, TVS 二极管 P/N 结面积更大,这一构造上的改进使 TVS

具有更强的高压承受能力,同时也降落了电压截止率,因而对付保护手持设备低事情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,常日0.3个pF到几十个pF。
TVS有单极性的和双极性的,利用时要把稳。
手机上用的TVS大约0.01$,低容值的约2-3分$。

1.3、多层金属氧化物构造器件 (MLV),大陆一样平常称为压敏电阻。
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。
这种特性适宜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。

串联阻抗

一样平常可以通过串联电阻或者磁珠来限定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的电阻会被打碎,实践证明是打不坏的。
这里不详细剖析。
用电阻做ESD防护险些不增加本钱。
如果用磁珠,磁珠的价格大约0.002$,和压敏电阻差不多.

增加滤波网络

前面提到了静电的能量频谱,如果用滤波器滤掉紧张的能量也能达到静电防护的目的。

对付低频旗子暗记,如GPIO输入,ADC,音频输入可以用1k+1000PF的电容来做静电防护,本钱可以忽略,性能不比压敏电阻差,如果用1K+50PF的压敏电阻(下面讲的复合防护方法),效果更好,履历证明这样防护效果有时超过TVS。

对付射频天线的微波旗子暗记,如果用TVS管,压敏等容性器件来做静电防护,射频旗子暗记会被衰减,因此哀求TVS的电容很低,这样增加ESD方法的本钱。
对付微波旗子暗记可以对地并联一个几十nH的电感来为静电供应一个放电通道,对微波旗子暗记险些没有影响,对付900MHZ和1800MHz的手机常常用22nH的电感。
这样能把静电紧张能量频谱上的能量接管掉很多。

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,一样平常4路基于压敏电阻的EMI价格在0.02$.

实际运用中可以用下面的一个电阻+一个压敏电阻的办法。
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办法,对付高阻旗子暗记可以采取1K电阻+50PF压敏;对付耳机等音频输出旗子暗记可以采取100欧电阻+压敏电阻;对付TP旗子暗记串联电阻不能太大否则影响TP的线性,可以采取10欧电阻。
虽然电阻小了,低通滤波器效果已经没有了,但限流浸染还是很主要的。

增加接管回路

可以在敏感旗子暗记附件增加地的漏铜,来接管静电。
道理和避雷针事理一样。

在旗子暗记线上放置尖端放电点(火花隙)在山寨手机设计中也常常运用。

翻盖机受话器上TVS管或压敏电阻该当放在哪?

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。
实在不然,请看下面剖析。

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。

中间的电感分别是FPC上地网络和旗子暗记线的等效电感。
当静电打在rec上时,由于TVS的钳位浸染和等效电容存在,静电放电瞬时REC旗子暗记线上的电压Ub和小板的电压Ug可以算作相等的,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。
对付旗子暗记线如果是高祖状态,纵然FPC存在更大的等效电感,但是由于高阻抗不会产生电流,Ua和Ub可以算作是同等的,这样Ua=Ub=Ug,也便是芯片端和地之间会产生一个电压差,这个压差险些即是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破坏。
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。
如果是非高祖旗子暗记会有一点电流,电流大了芯片也就坏了。
这样也可以近似算作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。

如果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。
旗子暗记线上没有电流Ua=Ub=Ug。
Ua加在芯片端口上会打碎芯片。

如果静电打在主板地上,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或压敏的钳位浸染,Ua和地之间电压不会太高起到保护芯片的浸染。
静电放在rec上,电流传导到主板上被TVS接管掉,电荷打在小板地和主板地上都和旗子暗记线没有关系。

静电防护器件该当放在哪?

rec情形如此,其他旗子暗记线电源也如此。

上面剖析的是用FPC连接两个板的情形,实在纵然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。
特殊是没有完全地层的板子。

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,这样会滋扰到与其相邻的为保护的旗子暗记线。
鉴于手机主板有完全地层,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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