电路设计和PCB设计中如何防止ESD损坏设备

时间:2023-05-24作者:佚名

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。

电路设计和PCB设计中如何防止ESD损坏设备

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:

电路设计和PCB设计中如何防止ESD损坏设备

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。

电路设计和PCB设计中如何防止ESD损坏设备

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。

电路设计和PCB设计中如何防止ESD损坏设备

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。

电路设计和PCB设计中如何防止ESD损坏设备

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。

电路设计和PCB设计中如何防止ESD损坏设备

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。

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