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电路设计中静电的防护

并联放电器件。

常用的放电器件有TVS,齐纳二极管、压敏电阻、气体放电管等。如图所示

1.齐纳二极管( Zener Diodes ,又称稳压二极管 ) 。 齐纳二极管的反向击穿特性可以得到保护 ESD但是齐纳二极管通常有几十个 pF 对于高速信号(如 500MHz)它会导致信号畸变。齐纳二极管也能很好地吸收电源上的浪涌。

1.2.瞬变电压消除器 TVS(Transient Voltage Suppressor) 。 TVS 专门用于预防固态二极管 ESD 瞬态电压破坏敏感的半导体器件。与传统的齐纳二极管相比, TVS 二极管 P/N 这种结构的改进使结构面积更大 TVS

它具有较强的高压承载能力,但也降低了电压截止率,因此对保护手持设备低工作电压电路的安全有更好的效果。

TVS二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。二极管结截面积大,可处理闪电和 ESD高瞬态电流。TVS也会有结电容,通常0.3个pF到几十个pF。TVS如果有单极性和双极性,使用时要注意。用在手机上。TVS大约0.01$,低容值的约2-3分$。

1.3.多层金属氧化物结构器件 (MLV),大陆通常被称为压敏电阻。 MLV它还可以有效地抑制瞬时高压冲击,具有非线性电压 - 电流 ( 阻抗表现 ) 关系,截止电压可达到初始停止电压 2 ~ 3倍。该功能适用于静电或浪涌保护,对电压不敏感,如电源电路、按键输入端等。手机用压敏电阻约0.0015$,大约是TVS价格为1/6,但保护效果不好TVS而且压敏电阻有寿命老化。

2、串联阻抗

串联电阻或磁珠一般可以限制ESD放电电流达到防静电的目的。如图。例如,手机的高输入阻抗端口可以串1K保护欧电阻,如ADC,输入的GPIO,按键等。不要担心0402的电阻会被破坏,实践证明它不会被破坏。这里不详细分析。用电阻做ESD保护几乎不会增加成本。如果使用磁珠,磁珠的价格约为0.002$,和压敏电阻差不多.

3.增加滤波网络

上述静电能量频谱,如果用滤波器面提到了静电能量频谱。

对于低频信号,如GPIO输入,ADC,可使用1个音频输入k 1000PF静电保护的电容器,成本可以忽略,性能不比压敏电阻差如果使用1K 50PF压敏电阻(以下复合防护措施)效果更好。经验证明,这种防护效果有时超过TVS。

如果使用射频天线的微波信号TVS静电保护用于管道、压敏等容性设备,射频信号会衰减,因此需要TVS电容很低,所以增加ESD措施的成本。对于微波信号,地并联几十个nH电感为静电提供放电通道,对微波信号影响不大,对9000MHZ和1800MHz手机常用22nH的电感。这可以吸收静电主要能量频谱上的大量能量。

4、复合防护

有一种装置叫做EMI filter,他有很好的ESD如图所示。EMI filter也有基于TVS管道和基于压敏电阻的管道,前者效果好,但很贵,后者便宜,一般4路基于压敏电阻EMI价格在0.02$.

以下电阻可用于实际应用中 压敏电阻的方法。它具有低通滤波器、压敏电阻和电阻串联限流的功能。它是保护性价比最好的方法,可以使用1个高阻信号K电阻 50PF压敏;100欧电阻可用于耳机等音频输出信号 压敏电阻;对TP信号串联电阻不能太大,否则会影响TP10欧电阻可用于线性。虽然电阻小,低通滤波器效果消失,但限流仍然很重要。

5.增加吸收回路

漏铜可以添加到敏感信号附件中,以吸收静电。原理与避雷针相同。

山寨手机设计中经常使用信号线上的尖端放电点(火花缝)。

在受话器上翻盖机TVS管道或压敏电阻应放在哪里?

很多人都明白静电防护装置在layout放置在端口附近,翻盖机或滑盖机受话器影响(receiver,rec)上的TVS或者压敏电阻应该靠近上板rec地点。其实不然,请看下面的分析。

这是翻盖机或滑盖机的等效电路,TVS在上板,主IC主板中间用较长的FPC连接。rec是线圈,不怕静电,怕静电IC。

中间的电感是FPC等效电感上地网和信号线。当静电打在rec上时,由于TVS钳位功能和等效电容存在,静电放电瞬时存在REC信号线上的电压Ub以及小板的电压Ug静电为相等,静电荷应从FPC地网部分转移到主板地面,主板地面与小板地面之间会产生压差Ug-0=Ug。如果信号线处于高祖状态,FPC等效电感较大,但高阻抗不会产生电流,Ua和Ub可以看作是一致的,所以Ua=Ub=Ug,也就是说,芯片端和地面之间会产生电压差,这几乎等于放电时小板地面与主板地面的电压差。如果这个电压差很大,它会使IC损坏。电压差取决于ESD放电等级和FPC地面等效阻抗和电感。假如非高祖信号会有一点电流,电流大了芯片就坏了。这也可以近似看成Ua=Ub=Ug。因此TVS或者压敏电阻放在上板上,如果静电达到rec会有问题。

如果静电击中小板的地面,因为TVS或压敏钳位和等效电容器,相同Ub=Ug。由于FPC地面等效电感存在,Ug与主板地面有压差。信号线上没有电流Ua=Ub=Ug。Ua添加到芯片端口会损坏芯片。

如果静电击中主板地面,主板地面的电荷部分将转移到小板地面,产生电流FPC地等效电感产生电压,主板和小板之间的电压会直接加到芯片两端烧坏芯片。

如果TVS或者压敏电阻加在主板上,如图所示TVS或压敏钳位,Ua地面之间的电压不会太高,以保护芯片。静电放置rec上,电流传导到主板上TVS吸收后,小板地上的电荷与主板地面无关。

rec其他信号线电源也是如此。

以上分析是用的FPC事实上,即使在一块板的地面上,也会有阻抗,所以静电保护装置越靠近芯片越好,也就是说,谁。尤其是没有完整地层的板。

但是,如果芯片靠近端口,有一个问题TVS这条线路会有很大的放电电流和电压,干扰相邻的保护信号线。鉴于手机主板地层完整,地面等效阻抗相对较小,建议将静电保护装置放置在主板接口处,但不能放置在小板、按钮板等上。

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