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ESD保护器种类和保护电路分析

作者:立深鑫        发布时间:01-18        点击:
摘要 : 日常生活中,ESD (Electro-Static Discharge,静电放电)对于我们来说是一种常见的现象,然而对电子产品而言,ESD往往是致命的——它可能导致元器件内部线路受损,直接影响产品的正常使用寿命,甚至造成产品的损坏。因此,ESD防护一直以来都是工程师们的工作重点。
日常生活中,ESD (Electro-Static Discharge,静电放电)对于我们来说是一种常见的现象,然而对电子产品而言,ESD往往是致命的——它可能导致元器件内部线路受损,直接影响产品的正常使用寿命,甚至造成产品的损坏。因此,ESD防护一直以来都是工程师们的工作重点。对于刚开始职业生涯的电子工程师而言,在掌握专业技能之前通常都要接受一些ESD相关知识的培训,足见ESD防护的地位与重要性。

一般,ESD保护一般通过两种途径来实现,第一种方法是避免ESD的发生;第二种方法则是通过片内或片外集成内部保护电路或专用ESD保护器件,从而避免ESD发生后将被保护器件损坏。


ESD二极管

ESD保护器件与保护电路

虽然上述避免ESD发生的方法有着很理想的效果,不过对于终端用户显然不太适合——举例来说,我们不可能在使用手机之前先戴上静电手环,通话结束后将手机放到静电袋中以避免ESD。事实上,由于用户鲜有机会接触到产品内部的元器件及电路板,因此也不需要如此严格的ESD防护措施,但这并不意味着ESD的问题不存在——首先,ESD可以输入/输出连接器(如USB接口、充电器接口、SIM卡插槽等)为路径进入电路中的各种元件;其次,随着电子产品,特别是消费电子产品向着轻薄化发展,导致内部IC的外形尺寸不断减小,其自身ESD防护能力亦不断减弱。所以,工程师在设计时通常加入ESD保护器件,而很多IC内部也有片上ESD保护电路。

片上ESD保护电路

相信所有人都希望ESD防护能完全地集成到IC芯片内部,因为这样会节省的板级空间,减少系统成本并降低设计与布线的复杂度。但从目前情况来看,前景并不乐观。如今,IC制程工艺的进步成了片上ESD保护的一大难题。一方面,工艺的进步虽提升IC的性能与集成度并降低功耗与尺寸,但由于栅极氧化层厚度越来越薄,IC自身的ESD防护能力反而降低。另一方面,随着IC尺寸的不断减小,由于受到空间的限制,因此保护能力有限。

ESD保护器件

由于片上ESD保护电路能力有限,为保证整个系统有较好的ESD防护能力,外部ESD保护器件是必不可少的。比较常见的有陶瓷电容、齐纳二极管、肖特基二极管、MLV(Multi-Layer Varistor,多层变阻器)和TVS(Transient Voltage Suppresser瞬态电压抑制器)。

MLV是一种基于ZnO压敏陶瓷材料,采用特殊的制造和处理工艺而制得的高性能电路保护元件,其伏安特性符合I=kVa,能够为受保护电路提供双向瞬态过压保护。MLV的工作原理是利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。目前,MLV在很多领域得到了广泛的应用,如手机、机顶盒、复印机等等。

电子产品轻薄化的发展趋势使其对ESD防护要求越来越高,MLV渐渐有些力不从心,TVS二极管则开始崭露头角。TVS通常并联于被保护电路,当瞬态电压超过电路的正常工作电压时,二极管发生雪崩,为瞬态电流提供通路,使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。当瞬时脉冲结束以后,TVS二极管自动回复高阻状态,整个回路进入正常电压。由于TVS二极管的结面积较大,使得它具有泄放瞬态大电流的优点,具有理想的保护作用。 改进后的TVS二极管还具有适应低压电路(<5 V)的特点,且封装集成度高,适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。


ESD二极管

与MLV相比,不难看出TVS有如下优势:

体积:MLV的性能完全由其内部材质决定,因此很难在减小尺寸的同时保持或提高性能,封装尺寸从0402到1206。而TVS采用硅芯片技术,可以得到比MLV更小的元件封装尺寸。

性能:TVS有更低的箝制电压、更低的漏电以及更快的响应速度。

寿命:由于工作原理不同,TVS与MLV的寿命也不尽相同。安森美半导体亚太区市场营销副总裁麦满权做了一个形象的比喻:“TVS的原理就好像太极,把接收到的能量快速的转移到接地端,所以它的寿命几乎就是无限的。而可变电阻就好像一个人在不停的挨打,它把能量都由自己来承受吸收,因此,寿命是有限的,而且随使用时间的增加,性能会慢慢下降。”

结语

ESD是一个“看似很小的大问题”,一个产品ESD防护的好坏直接影响到该产品的良品率及寿命。科研人员对ESD防护的研究从未停止过,相信在不久的未来,会有更好的材料、更新的技术来帮助我们应对ESD所带来的困扰。