电路设计和PCB设计中如何防止ESD损坏设备
|
今天给大家分享的是：在电路设计和PCB设计如何防止ESD损坏设备。 在电子行业中，保护设备免受ESD损坏是必须要注意的。静电放电（ESD）是一种非常高的电压尖峰，很容易损坏集成电路和低功率半导体等小信号元件。 常见的ESD是由人体接触电子设备引起的，电荷在人体内累积，然后当身体接触到设备时，电荷就会放电，并伴随着非常高的电压尖峰。 下面介绍在PCB设计中如何减少ESD损害： 一、使用钳位二极管 钳位二极管最常用于集成电路中，以保护器件免受ESD的损坏。微控制器、数字信号控制器和处理器都具有内部的ESD钳位二极管。但是在低成本控制器内部有时候会没有钳位二极管，这个时候就需要靠近在外部添加一个钳位二极管。下图是IC固有的ESD钳位二极管。
IC固有的ESD钳位二极管 正常工作时，假设引脚1的电压预计在0-3.3V之间，D1和D2不会干扰。假设高电平为3.3V，则D1反偏不导通，另一方面D2也是不导通的，因为阴极连接到VCC，引脚的高电平等于VCC。当引脚1中的电压为0时，D2反向偏置，D1无偏置。 当存在由ESD引起的高压尖峰时，二极管会导通。例如：尖峰非常高，D2将正向偏置，尖峰将转移到VCC，从而保护IC的内部组件。当存在非常高的负尖峰时，D1将传导并将尖峰转移到地面。 这里必须要了解清楚你使用的IC是否具有保护。如果没有的话，就在外部添加钳位二极管。如下图所示:
在外部添加钳位二极管 如果打算在IC的所有引脚中都添加钳位二极管的话，那是肯定不行，而且成本也会很高。通常来说，在产品制造并放入外壳后，IC将不能再用，钳位二极管需要实现的特性引脚比较少。当然钳位二极管你可以用硅二极管或者肖特基二极管。 下面是通常需要钳位二极管保护的最常见的引脚： 1、编程引脚 通常来说，编程引脚是供工程师使用的。有些产品需要在现场重新编程，编程引脚上发生ESD的可能性比较高。 在编程引脚上添加钳位二极管的另一个原因是因为合规性，如果你是要销售自己的产品，那就必须要遵守ESD标准。在ESD测试中，裸露的引脚是特意注入电压尖峰，产品不能够损坏。 2、重置引脚 一般来说，不会希望产品在没有什么理由的情况下重置或者重启，这个时候复位引脚可从外部访问，当ESD发生时，设备可能会重启启动或者永久损坏。在浪涌等其他合规性测试期间，复位引脚可能会受到干扰，设备将重新启动，这样的情况不希望发生的。（虽然这不是ESD情况，但是由于浪涌电压尖峰的电平非常高，也相当于模拟了ESD） 3、用于检测线路电压或者更高直流电压的IC引脚 这些引脚实际上，从外部是没有办法访问的，ESD在这些引脚上的可能性很小，然后再浪涌测试或者实际浪涌期间，这些引脚可能会遇到更高的尖峰电压，而这些尖峰本质上就像ESD。根据经验松开尖峰，就会容易损坏ESD。 二、使用瞬态电压抑制器 瞬态电压抑制器是快速作用的钳位二极管，不是普通的PN二极管，例如上面的钳位二极管。 TVS在作用和功能方面和钳位二极管差不多。一旦达到其击穿电压，器件就会钳位，否则为开路。 下图显示了常见的TVS符号，图A、B为双向TVS，C为单向TVS。双向TVS可以阻止ESD正向或负向尖峰。另一方面，单向的只能抑制一个定向尖峰。
常见的TVS符号 下面3个图是使用TVS保护特定引脚免受ESD影响的示例连接。 1、安装在IC引脚的单向TVS 在电路正常工作时，TVS不导通。但存在正尖峰时，设备将钳位，当存在负尖峰时，设备将正向偏置并将尖峰转移到地面。
安装在IC引脚的单向TVS 2、双向TVS 在正常工作下，TVS不会产生干扰。在正电压尖峰或负电压尖峰期间，TVS将钳位并保护IC。
双向TVS 3、双向 TVS 在正常工作下，TVS 不会产生干扰。在正电压尖峰或负电压尖峰期间，TVS将钳位并保护 IC。
双向 TVS 三、使用齐纳二极管 使用齐纳二极管作为ESD保护与单向TVS原理相同，齐纳二极管的缺点是不如TVS快，并且考虑到TVS相同的尺寸，只能处理较小的能量，需要更大的齐纳二极管来承受能量，但是会占用PCB的空间，成本也会更高。 四、使用高频电容 在汽车电路设计中，假定人体具有300PF的等效电容。该电容可以存储高达8KV的电位，当人接触任何东西时，体内的电荷就会放电。如果是小型电子设备，就会损坏。 |
