ESD保护电路概况及其电路设计

ESD 静电放电给你的电子产品带来致命的危害不仅降低了产品的可靠性，增加了维修成本而且不符合欧洲共同体规定的工业标准EN61000-4-2 就会影响产品在欧洲的销售，所以电子设备制造商通常会在电路设计的初期就考虑ESD 保护电路，本文将讨论ESD保护电路的几种方法。

1 ESD 的产生及危害

当两个物体碰撞或分离时就会产生静电放电ESD 即静态电荷从一个物体移动到另一个物体两个具有不同电势的物体之间产生静态电荷的移动，类似于一次很小的闪电过程放电量的大小和放电持续时间取决于物体的类型和周围的环境等多种因素，当ESD 具有足够高的能量时将造成半导体器件的损坏静电放电ESD 可能随时发生例如插拔电缆或人体接触器件的I/O 端口或者是一个带电的物体接触半导体器件半导体器件触地以及静电场和电磁干扰产生足够高的电压引起静电放电ESD。

ESD 基本上可以分为三种类型，一是各种机器引起的ESD， 二是家具移动或设备移动引起的ESD ，三是人体接触或设备移动引起的ESD ，所有这三种ESD 对于半导体器件的生产和电子产品的生产都非常重要电子产品的使用过程最容易受到第三种ESD 的损坏，便携式电子产品尤其容易受到人体接触ESD 的损坏ESD 一般情况下会损坏与之相连的接口器件，另一种情况是遭受ESD冲击后的器件可能不会立即损坏而是性能下降导致产品过早出现故障。

当集成电路IC 经受ESD 时放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流例如将带静电的电缆，插到电路接口上时放电回路的电阻几乎为零造成可高达几十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的IC管脚瞬间大电流会严重损伤IC 局部发热的热量甚至会融化硅片管芯ESD， 对IC 的损伤一般还包括内部金属连接被烧断钝化层被破坏晶体管单元被烧坏。

ESD 还会引起IC的死锁LATCHUP 这种效应和CMOS 器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关高电压可激活这些结构形成大电流通道一般是从VCC 到地串行接口器件的锁死电流可高达1 安培锁死电流会一直保持直到器件被断电不过到那时IC 通常早已因过热而烧毁了ESD冲击后可能存在两个不易被发现的问题一般用户和IEC测试机构使用传统的环路反馈方法和插入方法进行测试通常检测不出这两个问题。

1 RS-232 接口电路中接收器对发送器产生交叉串扰

同类产品RS-232 接口电路中的ESD 保护结构可能对某种波形的ESD或某个ESD 冲击电压失效经过ESD冲击后造成接收器输入端和发送器输出端之间形成通路从而导致接收器对发送器产生交调图一如果RS-232 接口电路中有关断电路那么关断期间经过ESD 冲击后更容易产生交调产生交调后将导致通信失败而且即使关断工作状态下发送器仍有输出导致关断失效使对方RS-232处在接收状态。

2 RS-232 接口电路对电源产生反向驱动

某些RS-232 接口电路中的ESD 保护结构经过ESD 冲击后可能在输入端与供电电源Vcc之间形成电流通路图二对其供电电源产生反向驱动如果供电电源没有吸入电流的能力通常来讲电源输出回路里有一个正向二极管这将导致电源电压Vcc 的增加从而损

坏RS-232 接口电路和系统内的其它电路因为RS-232 接口电路输入端的电压在5V 到25V之间使Vcc 有可能大于9V 超出电源电压的最大范围而烧坏电路。

2 ESD 保护电路

ESD 的产生是当两个物体碰撞或分离时即静态电荷从一个物体移动到另一个物体所以ESD最有效的保护是介质隔离是用绝缘介质把内部电路和外界隔离开1mm 厚的普通塑料如PVC 聚酯或ABS 能够保护8KV 的ESD 但是实际的介质不可能没有间隙和接缝所以材料的蠕变和间隙距离非常重要LCD显示屏触摸屏等都有很厚的边角12mm 隔离内部电路。

ESD 保护的第二个有效方法是屏蔽防止大的ESD 电流冲击内部电路ESD 冲击金属屏蔽外壳时最初几毫秒会比保护地电压高出许多屏蔽外壳电压会随着ESD电荷的转移而下降所以最初的几毫秒内会对内部电路产生二次ESD冲击所以仅仅使用外部屏蔽是不够的而要把内部电路与屏蔽外壳共地或者把内部电路进行介质隔离电气隔离也是一种抑制ESD 冲击的有效方法PCB 板上安装光耦和变压器虽然不能完全消除ESD的冲击但是结合介质隔离和屏蔽可以很好的抑制EDS冲击光耦和变压器尤其适合电源部分信号通路最好的隔离是光纤无线和红外线方式信号通路上的另一种保护方法是在每条信号线上外加阻容元件串联电阻能够限制尖峰电流并联到地的电容则能限制瞬间的尖峰电压这样做的成本低但是防护能力有限ESD的破坏力在一定程度上得到抑制但依然存在因为阻容元件并不能降低尖峰电压的峰值仅仅是减少了电压上升的斜率而且阻容元件还会引起信号失真以致限制了通讯电缆的长度和通讯速率外接的电阻/电容也增加了电路板面积。

另一种广泛使用的技术是外加电压瞬变抑制器或TransZorb 二极管这种防护非常有效，但仍有一些缺点外加器件仍会增加电路板面积防护器件的电容效应会增加信号线的等效电容成本较高TransZorb 二极管价格较贵大约25 美分/每个典型的3 发/5

收的COM 端口需要8 个TransZorb 二极管费用高达$2一种有效的方法是采用内部集成ESD 防护功能的串行接口器件这种器件比普通无防护功能的器件价格要贵但增加的费用比起外加防护二极管的费用要低内部集成的ESD，防护电路不会增加任何输入输出管脚的等效电容也节省了电路板面积MAXIM公司近几年发展了享有专利的集成ESD防护技术并可提供全系列的ESD防护串行接口器件包括与标准器件完全兼容的产品MAXIM公司还将同样的技术应用到模拟开关和开关去抖产品中所有这些器件的ESD 防护能力都符合15kV IEC1000-4-2 气隙放电8kVIEC1000-4-2 接触放电15kV人体模型HBM 测试标准下表是MAXIM公司具有抗静电功能的器件。

3 MAXIM 公司的ESD 保护技术

欧洲共同体所规定的ESD 保护有其严格的测试标准

对于正常工作方式下ESD 结构必须完全透明

ESD 过程中不能发生闭锁现象

必须通过所有相关ESD 测试标准

15kV ESD 人体模式测试标准

8kV ESD IEC 1000-4-2 接触放电模式测试标准

15kV ESD IEC 1000-4-2 空气间隙放电模式测试标准

4kV ESD IEC 1000-4-4 电气快速瞬变/猝发模式测试标准

其中IEC 1000-4-2 与15kV 人体模式测试标准之间的主要差别在于峰值电流相同电压下IEC 1000-4-2 冲击的吸收电流要比人体模式高出5 倍以上4kV ESD IEC 1000-4-4电气快速瞬变/猝发模式测试标准是模拟产生开关和继电器的电弧放电结果MAXIM 器件可提供4kV 的保护两倍于IEC 1000-4-4 标准的2kV 指标。

在现实世界中，ESD所产生的波形可能是各种各样的。不管是何种波形，MAXIM的工程师设计出了适应性非常强的结构对器件提供ESD 保护。因为每个器件的ESD门限不同，每个器件在正常工作状态关断状态和断电状态的ESD门限不同，所以MAXIM 公司严格按照如下步骤进行测试：

1 从200V 开始每次增加500V 对每个器件都用不同极性的电压冲击10 次

2 每次冲击后检查电源电流以确保器件没有闭锁检查发送器和接收器是否工作正常

3 重复上述步骤直到器件损坏或达到ESD 测试者的限制要求

4 用人体方式IEC 1000-4-2 接触放电IEC 1000-4-2 空气隙放电以及IEC 1000-4-4快速/瞬变/脉冲重复上述步骤

5 分别在正常工作状态关断状态和断电状态下重复测试保证达到ESD 保护的测试标准且不发生交调与反向驱动问题。