現(xiàn)在科技迅速在發(fā)展當(dāng)中，本文我們?yōu)榇蠹疑钊胫v解ESD靜電抑制器的應(yīng)用，希望對(duì)大家有所幫助。
ESD的意思是“靜電釋放”,英文:Electro-Static discharge 的縮寫,即"靜電放電"的意思。ESD是本世紀(jì)中期以來(lái)形成的以研究靜電的產(chǎn)生、危害及靜電防護(hù)等的學(xué)科。因此,國(guó)際上習(xí)慣將用于靜電防護(hù)的器材統(tǒng)稱為“ESD”,中文名稱為靜電阻抗器。
1.靜電成因及其危害
靜電是兩種介電系數(shù)不同的物質(zhì)磨擦?xí)r,正負(fù)極性的電荷分別積累在兩個(gè)特體上而形成。當(dāng)兩個(gè)物體接觸時(shí),其中一個(gè)趨從于另一個(gè)吸引電子,因而二者會(huì)形成不同的充電電位。就人體而言,衣服與皮膚之間的磨擦發(fā)生的靜電是人體帶電的主要因之一。
靜電源與其它物體接觸時(shí),依據(jù)電荷中和的機(jī)理存在著電荷流動(dòng),傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送過(guò)程中,將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場(chǎng),嚴(yán)重時(shí)將其中物體擊毀,這就是靜電放電。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中定義:靜電放電是具有不同靜電電位的特體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移(GB/T4365-1995),一般用ESD表示。ESD會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞或操作失常。
靜電對(duì)器件造成的損壞有顯性和隱性兩種。隱性損壞在當(dāng)時(shí)看不出來(lái),但器件變得更脆弱,在過(guò)壓、高溫等條件下極易損壞。
ESD兩種主要的破壞機(jī)制是：由ESD電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效;由ESD感應(yīng)出過(guò)高電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個(gè)設(shè)備中同時(shí)發(fā)生,例如,絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流,這又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。
除容易造成電路損害外,靜電放電也極易對(duì)電子電路造成干擾。靜電放電對(duì)電子電路的干擾有二種方式。一種是傳導(dǎo)干擾,另一種是輻射干擾。
2.數(shù)碼產(chǎn)品的構(gòu)造及其ESD問(wèn)題
現(xiàn)在各類數(shù)碼產(chǎn)品的功能越來(lái)越強(qiáng)大,而電路板卻越來(lái)越小,集成度越來(lái)越高。并都或多或少的裝有部分接口用于人機(jī)交互,這樣就存在著人體靜電放電的ESD問(wèn)題。一般數(shù)碼產(chǎn)品中需要進(jìn)行ESD防護(hù)的部位有:USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、按鍵電路、SIM卡、耳機(jī)及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口。
ESD可能會(huì)造成產(chǎn)品工作異常、死機(jī),甚至損壞并引發(fā)其他的安全問(wèn)題。所以在產(chǎn)品上市之前,國(guó)內(nèi)或國(guó)外檢測(cè)部門都要求進(jìn)行ESD和其它浪涌沖擊的測(cè)試。其中接觸放電需要達(dá)到±8kV,空氣放電需要達(dá)到±15kV,這就對(duì)ESD的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。
在殼體和PCB的設(shè)計(jì)中,對(duì)ESD問(wèn)題加以注意之后,ESD還會(huì)不可避免地進(jìn)入到產(chǎn)品的內(nèi)部電路中,尤其是以下一些端口：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、按鍵電路、SIM卡、耳機(jī)及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口,這些端口很可能將人體的靜電引入內(nèi)部電路中。所以,需要在這些端口中使用ESD防護(hù)器件。
以往主要使用的靜電防護(hù)器件是壓敏電阻和TVS器件,但這些器件普遍的缺點(diǎn)是響應(yīng)速度太慢,放電電壓不夠精確,極間電容大,壽命短,電性能會(huì)因多次使用而變差。所以目前行業(yè)中普遍使用專業(yè)的“靜電抑制器”來(lái)取代以往的靜電防護(hù)器件 。“靜電抑制器”是專業(yè)解決靜電問(wèn)題的產(chǎn)品,其內(nèi)部構(gòu)造和工作原理比其他產(chǎn)品更具科學(xué)性和專業(yè)性。它由Polymer高分子材料制成,內(nèi)部菱形分子以規(guī)則離散狀排列,當(dāng)靜電電壓超過(guò)該器件的觸發(fā)電壓時(shí),內(nèi)部分子迅速產(chǎn)生尖端對(duì)尖端的放電,將靜電在瞬間泄放到地。它最大特點(diǎn)是反應(yīng)速度快(0。5ns~1ns)、非常低的極間電容(0。05pf~3pf),很小的漏電流(1μA),非常適合各種接口的防護(hù)。
因?yàn)殪o電抑制器具有體積小(0603、0402)、無(wú)極性、反應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中使用靜電抑制器作為防護(hù)器件的比例越來(lái)越多,在使用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
1、將該器件盡量放置在需要保護(hù)的端口附近
2、到GND的連線盡可能短
3、所接GND的面積盡可能大
ESD與一般電壓保護(hù)的壓敏電阻的區(qū)別
現(xiàn)在仍然有很多電子工程師對(duì)靜電的產(chǎn)生及防護(hù)了解不夠,往往把靜電阻抗器(ESD)和用于一般電壓保護(hù)的壓敏電阻(EMD)混為一談。下面就簡(jiǎn)單介紹一下壓敏電阻。
壓敏電阻是一種無(wú)極性過(guò)電壓保護(hù)元件,無(wú)論是交流電路或直流電路,只需將壓敏電阻器與被保護(hù)電器設(shè)備或元器件并聯(lián)即可達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。壓敏電阻的缺點(diǎn)是易老化和電容較高,老化是指壓敏電阻內(nèi)的二極管元件被擊穿。由于大多數(shù)情況下P-N結(jié)過(guò)載時(shí)會(huì)造成短路,依其負(fù)載的頻繁程度,壓敏電阻開始吸引泄漏電流,泄漏電流會(huì)在敏感的測(cè)試電路中引起測(cè)量數(shù)據(jù)誤差,同時(shí),特別是在額定電壓高的電路中,會(huì)造成強(qiáng)烈發(fā)熱。
壓敏電阻的電容高(最低都在100μf以上),使它在很多情況下不能在信號(hào)傳輸線路中使用。電容和導(dǎo)線電感形成一個(gè)低通電路,會(huì)使信號(hào)極大地衰減。但頻率大約在30kHz以下的衰減可以忽略不計(jì)。但是對(duì)于要求通過(guò)USB端口與計(jì)算機(jī)連接的大多數(shù)碼產(chǎn)品來(lái)說(shuō),一旦連接端口的電容值大于5pf時(shí),往往會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)或失敗。
電子消費(fèi)類、數(shù)碼產(chǎn)品中專門的靜電阻抗器ESD(靜電保護(hù)元件):電壓范圍為〈24V,極間電容有〈2。5pf的,響應(yīng)速度小于1ns,極低的漏電流,封裝主要為0603和0402。工作原理是:在電器正常工作過(guò)程中,ESD只是表現(xiàn)為容值極低的(一般〈5pf)容抗特性,不會(huì)對(duì)正常的電器特性產(chǎn)生影響,且不會(huì)影響到電子產(chǎn)品的信號(hào)及數(shù)據(jù)傳輸;當(dāng)器件兩端的過(guò)電壓達(dá)到預(yù)定的崩潰電壓時(shí),迅速(納秒級(jí))做出反應(yīng),以幾何級(jí)數(shù)的量放大極間漏電流通過(guò),從而達(dá)到吸收、減弱靜電對(duì)電路特性的干擾和影響。同時(shí),由于ESD靜電阻抗器的構(gòu)成材質(zhì)的特殊性,ESD往往都是通過(guò)對(duì)靜電進(jìn)行吸收和耗散,亦即表現(xiàn)為一個(gè)充放電的過(guò)程,來(lái)達(dá)到對(duì)設(shè)備進(jìn)行靜電防護(hù),所以設(shè)備中的ESD靜電阻抗器都不易老化損壞。
由于國(guó)外進(jìn)口電子產(chǎn)品時(shí)均要求通過(guò)靜電測(cè)試,這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)充分考慮ESD問(wèn)題,在硬件的設(shè)計(jì)上應(yīng)該注意的有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:首先,靜電會(huì)通過(guò)兩種渠道在傳播,一種是感應(yīng)的空氣放電,另外一種是傳導(dǎo);感應(yīng)的空氣放電主要防護(hù)措施是屏蔽,主要考慮結(jié)構(gòu)等方面的問(wèn)題;傳導(dǎo)的防護(hù)主要是吸收,我們只要在需要保護(hù)的端口前增加ESD即可;其次,在我們?cè)黾颖Ｗo(hù)器件ESD時(shí),盡量遠(yuǎn)離受保護(hù)的端口而盡量靠近靜電到入口;在次,在設(shè)計(jì)PCB時(shí)經(jīng)過(guò)ESD期間的線路,盡量產(chǎn)生銳角;最后,應(yīng)該重點(diǎn)考慮受保護(hù)器件的地線走向問(wèn)題,是否也是全部納入受保護(hù)的范疇,否則在做靜電反向脈沖測(cè)試時(shí),無(wú)法達(dá)到正向脈沖的等級(jí)。
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