- ESD 的產生及危害
- RS-232 接口電路對電源產生反向驅動
- MAXIM 公司的ESD 保護技術
ESD 靜電放電給你的電子產品帶來致命的危害不僅降低了產品的可靠性，增加了維修成本而且不符合歐洲共同體規定的工業標準EN61000-4-2 就會影響產品在歐洲的銷售，所以電子設備制造商通常會在電路設計的初期就考慮ESD 保護電路本文將討論ESD保護電路的幾種方法。
1 ESD 的產生及危害
當兩個物體碰撞或分離時就會產生靜電放電ESD 即靜態電荷從一個物體移動到另一個物體兩個具有不同電勢的物體之間產生靜態電荷的移動，類似于一次很小的閃電過程放電量的大小和放電持續時間取決于物體的類型和周圍的環境等多種因素，當ESD 具有足夠高的能量時將造成半導體器件的損壞靜電放電ESD 可能隨時發生例如插拔電纜或人體接觸器件的I/O 端口或者是一個帶電的物體接觸半導體器件半導體器件觸地以及靜電場和電磁干擾產生足夠高的電壓引起靜電放電ESD。
ESD 基本上可以分為三種類型，一是各種機器引起的ESD， 二是家具移動或設備移動引起的ESD ，三是人體接觸或設備移動引起的ESD ，所有這三種ESD 對于半導體器件的生產和電子產品的生產都非常重要電子產品的使用過程最容易受到第三種ESD 的損壞，便攜式電子產品尤其容易受到人體接觸ESD 的損壞ESD 一般情況下會損壞與之相連的接口器件，另一種情況是遭受ESD沖擊后的器件可能不會立即損壞而是性能下降導致產品過早出現故障。
當集成電路IC 經受ESD 時放電回路的電阻通常都很小，無法限制放電電流例如將帶靜電的電纜，插到電路接口上時放電回路的電阻幾乎為零造成可高達幾十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應的IC管腳瞬間大電流會嚴重損傷IC 局部發熱的熱量甚至會融化硅片管芯ESD， 對IC 的損傷一般還包括內部金屬連接被燒斷鈍化層被破壞晶體管單元被燒壞。
ESD 還會引起IC的死鎖LATCHUP 這種效應和CMOS 器件內部的類似可控硅的結構單元被激活有關高電壓可激活這些結構形成大電流通道一般是從VCC 到地串行接口器件的鎖死電流可高達1 安培鎖死電流會一直保持直到器件被斷電不過到那時IC 通常早已因過熱而燒毀了ESD沖擊后可能存在兩個不易被發現的問題一般用戶和IEC測試機構使用傳統的環路反饋方法和插入方法進行測試通常檢測不出這兩個問題。
1 RS-232 接口電路中接收器對發送器產生交叉串擾
同類產品RS-232 接口電路中的ESD 保護結構可能對某種波形的ESD或某個ESD 沖擊電壓失效經過ESD沖擊后造成接收器輸入端和發送器輸出端之間形成通路從而導致接收器對發送器產生交調圖一如果RS-232 接口電路中有關斷電路那么關斷期間經過ESD 沖擊后更容易產生交調產生交調后將導致通信失敗而且即使關斷工作狀態下發送器仍有輸出導致關斷失效使對方RS-232處在接收狀態。
2 RS-232 接口電路對電源產生反向驅動
某些RS-232 接口電路中的ESD 保護結構經過ESD 沖擊后可能在輸入端與供電電源Vcc之間形成電流通路圖二對其供電電源產生反向驅動如果供電電源沒有吸入電流的能力通常來講電源輸出回路里有一個正向二極管這將導致電源電壓Vcc 的增加從而損
壞RS-232 接口電路和系統內的其它電路因為RS-232 接口電路輸入端的電壓在5V 到25V之間使Vcc 有可能大于9V 超出電源電壓的最大范圍而燒壞電路。
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2 ESD 保護電路
ESD 的產生是當兩個物體碰撞或分離時即靜態電荷從一個物體移動到另一個物體所以ESD最有效的保護是介質隔離是用絕緣介質把內部電路和外界隔離開1mm 厚的普通塑料如PVC 聚酯或ABS 能夠保護8KV 的ESD 但是實際的介質不可能沒有間隙和接縫所以材料的蠕變和間隙距離非常重要LCD顯示屏觸摸屏等都有很厚的邊角12mm 隔離內部電路。
ESD 保護的第二個有效方法是屏蔽防止大的ESD 電流沖擊內部電路ESD 沖擊金屬屏蔽外殼時最初幾毫秒會比保護地電壓高出許多屏蔽外殼電壓會隨著ESD電荷的轉移而下降所以最初的幾毫秒內會對內部電路產生二次ESD沖擊所以僅僅使用外部屏蔽是不夠的而要把內部電路與屏蔽外殼共地或者把內部電路進行介質隔離電氣隔離也是一種抑制ESD 沖擊的有效方法PCB 板上安裝光耦和變壓器雖然不能完全消除ESD的沖擊但是結合介質隔離和屏蔽可以很好的抑制EDS沖擊光耦和變壓器尤其適合電源部分信號通路最好的隔離是光纖無線和紅外線方式信號通路上的另一種保護方法是在每條信號線上外加阻容元件串聯電阻能夠限制尖峰電流并聯到地的電容則能限制瞬間的尖峰電壓這樣做的成本低但是防護能力有限ESD的破壞力在一定程度上得到抑制但依然存在因為阻容元件并不能降低尖峰電壓的峰值僅僅是減少了電壓上升的斜率而且阻容元件還會引起信號失真以致限制了通訊電纜的長度和通訊速率外接的電阻/電容也增加了電路板面積。
另一種廣泛使用的技術是外加電壓瞬變抑制器或TransZorb?二極管這種防護非常有效，但仍有一些缺點外加器件仍會增加電路板面積防護器件的電容效應會增加信號線的等效電容成本較高TransZorb?二極管價格較貴大約25 美分/每個典型的3 發/5
收的COM 端口需要8 個TransZorb?二極管費用高達$2一種有效的方法是采用內部集成ESD 防護功能的串行接口器件這種器件比普通無防護功能的器件價格要貴但增加的費用比起外加防護二極管的費用要低內部集成的ESD，防護電路不會增加任何輸入輸出管腳的等效電容也節省了電路板面積MAXIM公司近幾年發展了享有專利的集成ESD防護技術并可提供全系列的ESD防護串行接口器件包括與標準器件完全兼容的產品MAXIM公司還將同樣的技術應用到模擬開關和開關去抖產品中所有這些器件的ESD 防護能力都符合15kV IEC1000-4-2 氣隙放電8kVIEC1000-4-2 接觸放電15kV人體模型HBM 測試標準下表是MAXIM公司具有抗靜電功能的器件。
3 MAXIM 公司的ESD 保護技術
歐洲共同體所規定的ESD 保護有其嚴格的測試標準
對于正常工作方式下ESD 結構必須完全透明
ESD 過程中不能發生閉鎖現象
必須通過所有相關ESD 測試標準
15kV ESD 人體模式測試標準
8kV ESD IEC 1000-4-2 接觸放電模式測試標準
15kV ESD IEC 1000-4-2 空氣間隙放電模式測試標準
4kV ESD IEC 1000-4-4 電氣快速瞬變/猝發模式測試標準
其中IEC 1000-4-2 與15kV 人體模式測試標準之間的主要差別在于峰值電流相同電壓下IEC 1000-4-2 沖擊的吸收電流要比人體模式高出5 倍以上4kV ESD IEC 1000-4-4電氣快速瞬變/猝發模式測試標準是模擬產生開關和繼電器的電弧放電結果MAXIM 器件可提供4kV 的保護兩倍于IEC 1000-4-4 標準的2kV 指標。
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在現實世界中ESD所產生的波形可能是各種各樣的不管是何種波形MAXIM的工程師設計出了適應性非常強的結構對器件提供ESD 保護因為每個器件的ESD門限不同每個器件在正常工作狀態關斷狀態和斷電狀態的ESD門限不同所以MAXIM 公司嚴格按照如下步驟進行測試
1 從200V 開始每次增加500V 對每個器件都用不同極性的電壓沖擊10 次
2 每次沖擊后檢查電源電流以確保器件沒有閉鎖檢查發送器和接收器是否工作正常
3 重復上述步驟直到器件損壞或達到ESD 測試者的限制要求
4 用人體方式IEC 1000-4-2 接觸放電IEC 1000-4-2 空氣隙放電以及IEC 1000-4-4快速/瞬變/脈沖重復上述步驟
5 分別在正常工作狀態關斷狀態和斷電狀態下重復測試保證達到ESD 保護的測試標準且不發生交調與反向驅動問題。
