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ESD防护设计及其防护器件介绍

嘉峪检测网        2024-03-25 13:56

ESD防护器件的主要作用是保护电子设备和电路免受静电放电(ESD)的损害。提高产品整体的稳定性和可靠性。
 
1、ESD静电二极管工作原理
 
将ESD静电保护二极管并联于电路中,当电路正常工作时,它处于截止状态(高阻态),不影响线路正常工作,当电路出现异常过压并达到其击穿电压时,它迅速由高阻态变为低阻态,给瞬间电流提供低阻抗导通路径,同时把异常高压钳制在一个安全水平之内,从而保护被保护IC或线路;当异常过压消失,其恢复至高阻态,电路正常工作。
 
2、ESD防护器件参数含义
 
ESD产品的伏安特性曲线与TVS类似,与TVS不同的是,ESD产品功率较小,工作电压也较低,ESD的工作电压根据被保护芯片的工作电压来设计。
VRWM:反向截止电压, 允许长期连续施加在ESD保护器件两端的电压(有效值),在此工作状态下ESD器件不导通,保持高阻状态,反向漏电流很小。
VBR:击穿电压,击穿电压是ESD要开始动作(雪崩击穿)的电压,一般在规定的电流下测量,通常在大小为1mA的电流下测量。
IR:反向漏电流, 在指定的直流电压(一般指不超过最大工作电压)的作用下,流过ESD器件的电流。一般地,TVS管的反向漏电流是nA级,压敏电阻漏电流是μA级,此电流越小,对保护电路影响越小。
IPP:峰值脉冲电流,ESD产品一般采用8/20μs的波形测量。
VC:钳位电压, ESD器件流过峰值电流时,其两端呈现的电压,超过此电压,可能造成ESD永久性损伤。
Cj:PN结的结电容, 在给定电压、频率条件下测得的值,此值越小,对保护电路的信号传输影响越小。比如硅半导体TVS管的结电容(pF级),压敏电阻的寄生电容(nF级) ,另一方面ESD的结电容与ESD的芯片面积、工作电压有关系。对于相同电压ESD产品,芯片面积越大结电容越大;对于相同芯片面积的ESD,工作电压越高结电容就越低。
响应时间(Response Time) 指ESD器件对输入的大电压钳制到预定电压的时间。一般地,ESD管的响应时间是Ps级,此时间越小,更能有效的保护电路中元器件。
 
3、ESD防护器件选型步骤
 
a.计算接口信号幅值的范围来确定ESD器件的工作电压;
b.根据信号类型决定使用单向或者双向ESD器件;
c.根据信号速率决定该接口能承受的最大寄生电容;
d.根据电路系统的最大承受电压冲击,选择适合的钳位电压;
f.根据电路设计布局及被保护线路数选择合适的封装。
g.确保ESD器件可达到或超过IEC 61000-4-2 level4。
 
4、ESD防护器件注意事项和技巧
 
a. ESD器件的截止电压应大于被保护IC的最大工作电压,否则会影响被保护电路的正常工作。如工作电压为5V的线路,应选择截止电压等于或者大于5V的ESD器件进行保护。
b.脉冲峰值电流 IPP 和最大钳位电压 VC 的选择:ESD 静电二 极管使用时,要根据线路上可能出现的最大浪涌电流来选择 IPP 合 适的型号。要注意的是, 此时的最大钳位电压 VC 应不大于被保护芯 片所能耐受的最大峰值电压;
c. ESD一般用于各类通信端口静电防护,在一些高速数据线路,如USB3.0、USB3.1、HDMI、IEEE1394等接口,ESD保护器件的结电容应选择尽量的小,以避免影响通信质量。
d. 根据电路设计布局及被保护线路数选择合适的封装形式。ESD器件封装的大小从一定程度上可以反应器件的防护等级大小,一般封装越大的器件可容纳的ESD芯片面积也越大,防护等级也越高,反之亦然。
e.要采用 Array 式的 ESD 保护组件,这样才可以用最少的组件数来缩小 PCB 的空间及降低 PCB 的寄生阻抗
f.ESD 保护元件的钳制电压必须要够低,才能使系统在 ESD 发 生时还能不受干扰地运作, 至于要多低的钳制电压才够, 则要看系统 的噪声免疫能力而定。
 
5、常用的ESD防护器件有哪些:
 
a.TVS二极管
TVS二极管是最常见的ESD保护器件之一,它通过快速的PN结反向击穿来吸收大量的电荷,并将其导到地线上,从而保护电路不受损害。
TVS二极管具有质量稳定、低漏电流和快速响应等特点,并且价格也相对较低。
b.金属氧化物压敏电阻
金属氧化物压敏电阻是另一种常见的ESD保护器件,它也可以快速吸收静电放电的能量。
与TVS二极管不同的是,金属氧化物压敏电阻的击穿电压和阻值都比较高,所以它经常被用于对电压要求更高的场合。
c.瞬态电压抑制器
瞬态电压抑制器是一种可以在保持电路正常工作电压的同时,通过限制短时间内突发电压的超出范围而保护电路不受损害的ESD保护器件。
瞬态电压抑制器具有响应速度快、无反弹效应和稳定性好等特点,在实际的应用中广泛使用。
6、使用ESD防护器件的好处是什么
a.防止静电放电对电子设备和电路的直接损害:静电放电可能导致电子设备和电路的瞬态电压升高,从而损坏或破坏器件和电路结构。ESD保护元件能够吸收和分散静电放电的能量,保护设备和电路不受损害。
b.提供对地的短路路径:ESD保护元件通常与地连接,当静电放电发生时,它们提供了一条低阻抗的路径,将静电放电能量迅速引导到地,防止其通过电路流过敏感器件。
c.保护敏感器件和接口:ESD保护元件通常用于保护敏感器件(如传感器、芯片等)和接口(如USB、HDMI、以太网等),防止静电放电对它们造成损害。
d.提高系统的可靠性和稳定性:通过使用ESD保护元件,可以有效降低静电放电对系统的影响,提高系统的可靠性和稳定性,延长设备的使用寿命。
e.符合相关的检测标准或认证要求:许多电子设备和电路在上市前需要通过相关的国际标准和认证,其中包括对ESD保护的要求。使用合适的ESD保护元件可以帮助设备和电路满足这些要求,获得认证。
 

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