靜電放電現象
簡稱為ESD(ElectroStatic Discharge)
指靜電的正電荷或是負電荷逐漸累積時,會與周圍環境產生電位差,經由放電路徑而產生在不同電位之間移轉現象。
當系統電路遭受靜電放電( ESD) 時,放電迴路通常會經由電阻最小的路徑形成,導致無法限制放電電流。例如將帶靜電的電纜插到電路介面上時,放電回路的電阻幾乎為零,造成高達數十安培的瞬間放電尖峰電流,流入相應的
IC 腳位。瞬間大電流會嚴重損傷 IC ,局部發熱的熱量甚至會擊穿元件。 ESD
對 IC 的損傷包括內部金屬連接被燒斷,氧化層受到破壞,電晶體單元被燒壞。
ESD 還會引起
IC 的閂鎖效應( LATCH-UP )。在閂鎖情況下,元件在電源與地之間形成短路,造成大電流、EOS(電過載)和元件損壞。
常見的 ESD 防護電路設計有下列三種。
1. 並聯放電器件
常用的放電器件有TVS,齊納二極管,壓敏電阻,氣體放電管等,如下圖
齊納二極管(Zener Diodes)
利用齊納二極管的反向擊穿特性可以保護ESD敏感器件。但是齊納二極管通常有幾十 pF 的電容,這對於高速信號(例如 500MHz)而言,會引起信號畸變。齊納二極管對電源上的浪湧也有很好的吸收作用。
瞬變電壓消除器TVS(Transient Voltage Suppressor )
TVS 是一種固態二極管,專門用於防止 ESD 瞬態電壓破壞敏感的半導體器件。與傳統的齊納二極管相比, TVS 二極管 P/N 結面積更大,這一結構上的改進使 TVS 具有更強的高壓承受能力,同時也降低了電壓截止率,因而對於保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。
TVS二極管的瞬態功率和瞬態電流性能與結的面積成正比。該二極管的結具有較大的截面積,可以處理閃電和 ESD所引起的高瞬態電流。TVS也會有結電容,通常0.3個pF到幾十個pF。TVS有單極性的和雙極性的,使用時要注意。
壓敏電阻
壓敏電阻也可以進行有效的瞬時高壓衝擊抑制,此類器件具有非線性電壓- 電流 ( 阻抗表現 ) 關係,截止電壓可達最初中止電壓的 2 ~ 3倍。這種特性適合用於對電壓不太敏感的線路和器件的靜電或浪湧保護,如電源回路,按鍵輸入端等。壓敏電阻價格比TVS低不少,但是防護效果沒有TVS好,且壓敏電阻有壽命老化問題。
2.串聯阻抗
一般可以通過串聯電阻或者磁珠 ( Bead ) 來限制ESD放電電流,達到防靜電的目的。如下圖。比如系統的高輸入阻抗端口可以串聯1K ohm 電阻來防護,如 GPIO,按鍵等。
3. 增加濾波網路
用濾波器濾掉主要的能量也能達到靜電防護的目的。
有時為了成本考量,只採用並聯電容的方式,也可以達到降低某程度的 ESD 強度。
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