4.1.2.3 穩(wěn)壓管保護(hù)電路:
背對(duì)背串接的穩(wěn)壓管對(duì)瞬態(tài)抑制電路的工作原理是顯而易見的。當(dāng)瞬態(tài)電壓超過 V1 的穩(wěn)壓值時(shí),V1 反向擊穿,V2 正向?qū)?;?dāng)瞬態(tài)電壓是負(fù)極性時(shí),V2 反向擊穿,V1 正向?qū)?。將這2 只穩(wěn)壓管制作在同一硅片上就制成了穩(wěn)壓管對(duì),使用更加方便。
4.1.2.4 TVS(瞬態(tài)電壓抑制器)二極管:
這是最近發(fā)展起來的一種固態(tài)二極管,適用用于 ESD 保護(hù)。一般選擇工作電壓大于或等于電路正常工作電壓的器件。TVS 二極管是和被保護(hù)電路并聯(lián)的,當(dāng)瞬態(tài)電壓超過電路的正常工作電壓時(shí),二極管發(fā)生雪崩,為瞬態(tài)電流提供通路,使內(nèi)部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。由于TVS二極管的結(jié)面積較大,使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點(diǎn),具有理想的保護(hù)作用。但同時(shí)必須注意,結(jié)面積大造成結(jié)電容增大,因而不適合高頻信號(hào)電路的保護(hù)。改進(jìn)后的TVS 二極管還具有適應(yīng)低壓電路(<5V )的特點(diǎn),且封裝集成度高,適用于在印制電路板面積緊張的情況下使用。這些特點(diǎn)決定了它有廣泛的適用范圍,尤其在高檔便攜設(shè)備的接口電路中有很好的使用價(jià)值。
下面將對(duì)靜電放電、電快速瞬變脈沖群、浪涌沖擊的測(cè)試及常見問題對(duì)策及整改措施分別展開進(jìn)行探討。由于,這三個(gè)有較大的共同點(diǎn),因此在測(cè)試及對(duì)策上都有較大共同點(diǎn),下面將對(duì)靜電放電問題展開詳細(xì)深入的討論,而在電快速瞬變脈沖群、浪涌沖擊的討論中出現(xiàn)的相同之處將不再重復(fù)探討。
4.2 靜電放電抗擾度測(cè)試常見問題對(duì)策及整改措施
4.2.1 靜電放電形成的機(jī)理及其對(duì)電子產(chǎn)品的危害
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)物體上而形成。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原因之一。
靜電源跟其它物體接觸時(shí),存在著電荷流動(dòng)以抵消電壓,這個(gè)高速電量的傳送,將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場(chǎng),這就是靜電放電。
在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用過程中,操作者是最活躍的靜電源,可能積累一定數(shù)量的電荷,當(dāng)人體接觸與地相連的元件、裝置的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生靜電放電。靜電放電一般用ESD 表示。
觸與地相連的元件、裝置的時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生靜電放電。靜電放電一般用ESD 表示。
ESD 會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重地?fù)p壞或操作失常。
大多數(shù)半導(dǎo)體器件都很容易受靜電放電而損壞,特別是大規(guī)模集成電路器件更為脆弱。
靜電對(duì)器件造成的損壞有顯性的和隱性的兩種。隱性損壞在當(dāng)時(shí)看不出來,但器件變得更脆弱,在過壓、高溫等條件下極易損壞。
ESD 兩種主要的破壞機(jī)制是:由于ESD 電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致設(shè)備的熱失效;由于ESD 感應(yīng)出高的電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。
除容易造成電路損害外,ESD 也會(huì)對(duì)電子電路造成干擾。ESD 電路的干擾有二種方式。
一種是傳導(dǎo)方式,若電路的某個(gè)部分構(gòu)成了放電路徑,即ESD 接侵入設(shè)備內(nèi)的電路,ESD 電流流過集成片的輸入端,造成干擾。
ESD 干擾的另一種方式是輻射干擾。即靜電放電時(shí)伴隨火花產(chǎn)生了尖峰電流,這種電流中包含有豐富的高頻成分。從而產(chǎn)生輻射磁場(chǎng)和電場(chǎng),磁場(chǎng)能夠在附近電路的各個(gè)信號(hào)環(huán)路中感應(yīng)出干擾電動(dòng)勢(shì)。該干擾電動(dòng)勢(shì)很可能超過邏輯電路的閥值電平,引起誤觸發(fā)。輻射干擾的大小還取決于電路與靜電放電點(diǎn)的距離。ESD 產(chǎn)生的磁場(chǎng)隨距離的平方衰減。。ESD 產(chǎn)生的電場(chǎng)隨距離立方衰減。當(dāng)距離較近時(shí),無論是電場(chǎng)還是磁場(chǎng)都是很強(qiáng)的。ESD 發(fā)生時(shí),在附近位置的電路一般會(huì)受到影響。
ESD 在近場(chǎng),輻射耦合的基本方式可以是電容或電感方式,取決于ESD 源和接受器的阻抗。在遠(yuǎn)場(chǎng),則存在電磁場(chǎng)耦合。
與ESD 相關(guān)的電磁干擾(EMI)能量上限頻率可以超過1GHz。在這個(gè)頻率上,典型的設(shè)備電纜甚至印制板上的走線會(huì)變成非常有效的接收天線。因而,對(duì)于典型的模擬或數(shù)字電子設(shè)備,ESD 會(huì)感應(yīng)出高電平的噪聲。
一般來說,造成損壞,ESD 電火花必須直接接觸電路線,而輻射耦合通常只導(dǎo)致失常。
在ESD 作用下,電路中的器件在通電條件下比不通電條件下更易損壞。
4.2.2 電子產(chǎn)品的靜電放電測(cè)試及相關(guān)要求
對(duì)不同使用環(huán)境、不同用途、不同 ESD 敏感度的電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)靜電放電抗擾度試驗(yàn)的要求是不同的,但這些標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于ESD 抗擾度試驗(yàn)大多都直接或間接引用GB/T17626.2-1998 (idt IEC 61000-4-2:1995):《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》這一國家電磁兼容基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn),并按其中的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。下面就簡(jiǎn)要介紹一下該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容、試驗(yàn)方法及相關(guān)要求。
4.2.2.1 試驗(yàn)對(duì)象:
該標(biāo)準(zhǔn)所涉及的是處于靜電放電環(huán)境中和安裝條件下的裝置、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和外部設(shè)備。
4.2.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容:
靜電放電的起因有多種,但該標(biāo)準(zhǔn)主要描述在低濕度情況下,通過摩擦等因素,使操作者積累了靜電。電子和電氣設(shè)備遭受直接來自操作者的靜電放電和對(duì)臨近物體的靜電放電時(shí)的抗擾度要求和試驗(yàn)方法。
4.2.2.3 試驗(yàn)?zāi)康模?/strong>
試驗(yàn)單個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的抗靜電干擾的能力。它模擬:(1)操作人員或物體在接觸設(shè)備時(shí)的放電。(2)人或物體對(duì)鄰近物體的放電。
4.2.2.4 ESD 的模擬:
圖 11 和圖12 分別給出了ESD 發(fā)生器的基本線路和放電電流的波形。
圖11:靜電放電發(fā)生器
圖12:靜電放電的電流波形
放電線路中的儲(chǔ)能電容CS 代表人體電容,現(xiàn)公認(rèn)150pF 比較合適。放電電阻Rd 為330Ω,用以代表手握鑰匙或其他金屬工具的人體電阻?,F(xiàn)已證明,用這種放電狀態(tài)來體現(xiàn)人體放電的模型是足夠嚴(yán)酷的。
4.2.2.5 試驗(yàn)方法
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法有兩種:接觸放電法和空氣放電法。
接觸放電法:試驗(yàn)發(fā)生器的電極保持與受試設(shè)備的接觸并由發(fā)生器內(nèi)的放電開關(guān)激勵(lì)放電的一種試驗(yàn)方法。
空氣放電法:將試驗(yàn)發(fā)生器的充電電極靠近受試設(shè)備并由火花對(duì)受試設(shè)備激勵(lì)放電的一種試驗(yàn)方法。
接觸放電是優(yōu)先選擇的試驗(yàn)方法,空氣放電則用在不能使用接觸放電的場(chǎng)合中。
4.2.2.6 試驗(yàn)等級(jí)及其選擇:
試驗(yàn)電平以最切合實(shí)際的安裝環(huán)境和條件來選擇,表1 提供了一個(gè)指導(dǎo)原則。表1 同時(shí)也給出了靜電放電試驗(yàn)等級(jí)的優(yōu)先選擇范圍,試驗(yàn)應(yīng)滿足該表所列的較低等級(jí)。
4.2.2.7 試驗(yàn)環(huán)境
對(duì)空氣放電該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了環(huán)境條件:
環(huán)境溫度:15℃~35℃、相對(duì)濕度:30%~60%RH、大氣壓力:86kPa~106kPa
對(duì)接觸放電該標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定特定的環(huán)境條件。
4.2.2.8 試驗(yàn)布置
標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)布置也做出了詳細(xì)的規(guī)定,圖 13 所示為臺(tái)式設(shè)備的試驗(yàn)布置示意圖。
4.2.2.9 試驗(yàn)實(shí)施
實(shí)施部位:直接放電施加于操作人員在正常使用受試設(shè)備時(shí)可能接觸到的點(diǎn)或面上;間接放電施加于水平耦合板和垂直耦合板。
直接放電模擬了操作人員對(duì)受試設(shè)備直接接觸時(shí)發(fā)生的靜電放電情況。
間接放電則是對(duì)水平耦合板和垂直耦合板進(jìn)行放電,模擬了操作人員對(duì)放置于或安裝在受試設(shè)備附近的物體放電時(shí)的情況。
直接放電時(shí),接觸放電為首選形式;只有在不能用接觸放電的地方(如表面涂有絕緣層,計(jì)算機(jī)鍵盤縫隙等情況)才改用氣隙(空氣)放電。
間接放電:選用接觸放電方式。
試驗(yàn)電壓要由低到高逐漸增加到規(guī)定值。
不同的產(chǎn)品或產(chǎn)品族標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)的實(shí)施可能根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)有特定的規(guī)定。
圖13:臺(tái)式設(shè)備靜電放電布置示意圖
4.2.2.10 試驗(yàn)結(jié)果
若靜電放電測(cè)試通不過,可能產(chǎn)生如下后果:
(1)直接通過能量交換引起半導(dǎo)體器件的損壞。
?。?)放電所引起的電場(chǎng)與磁場(chǎng)變化,造成設(shè)備的誤動(dòng)作。
4.2.3 電子產(chǎn)品的靜電放電對(duì)策及改進(jìn)要點(diǎn)
有很多辦法減小 ESD 產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)影響電子產(chǎn)品或設(shè)備:完全阻止ESD 產(chǎn)生,阻止EMI(本文中專指因ESD 產(chǎn)生的EMI)耦合到電路或設(shè)備以及通過設(shè)計(jì)工藝增加設(shè)備固有的ESD 抗擾性。
ESD 通常發(fā)生在產(chǎn)品自身暴露在外的導(dǎo)電物體,或者發(fā)生在鄰近的導(dǎo)電物體上。對(duì)設(shè)備而言,容易產(chǎn)生靜電放電的部位是:電纜、鍵盤及暴露在外的金屬框架以及設(shè)備外殼上的孔、洞、縫隙等。
常用的改進(jìn)方法是在產(chǎn)品ESD 發(fā)生或侵入危險(xiǎn)點(diǎn),例如輸入點(diǎn)和地之間設(shè)置瞬態(tài)保護(hù)電路,這些電路僅僅在ESD 感應(yīng)電壓超過極限時(shí)發(fā)揮作用。保護(hù)電路可以包括多個(gè)電流分流單元。
有多種電路可以達(dá)到ESD 保護(hù)的目的,但選用時(shí)必須考慮以下原則,并在性能和成本之間加以權(quán)衡:速度要快,這是ESD 干擾的特點(diǎn)決定的;能應(yīng)付大的電流通過;考慮瞬態(tài)電壓會(huì)在正、負(fù)極性兩個(gè)方向發(fā)生;對(duì)信號(hào)增加的電容效應(yīng)和電阻效應(yīng)控制在允許范圍內(nèi);考慮體積因素;考慮產(chǎn)品成本因素。
我們可以從以下幾種抑制ESD 干擾的方法中選擇適用的對(duì)策:
4.2.3.1 外殼設(shè)計(jì):
外殼在人手和內(nèi)部電路間建立隔離層,阻止 ESD 的發(fā)生,金屬外殼同時(shí)也是阻止ESD 間接放電形成的輻射及傳導(dǎo)耦合的關(guān)鍵。
一個(gè)完整的封閉金屬殼能在輻射噪聲中屏蔽電路,但由于從電路到屏蔽殼體的ESD 副級(jí)電弧可能產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合,因而一些外殼設(shè)計(jì)使用絕緣體,在絕緣殼中,放置一個(gè)金屬的屏蔽體。這種設(shè)計(jì)的好處是既可以防止因操作者對(duì)金屬外殼的直接接觸放電造成干擾,又可以防止操作者對(duì)周圍物體放電時(shí)形成的EMI 耦合到內(nèi)部形成干擾,同時(shí)在操作者對(duì)外殼的孔、洞、縫隙放電時(shí)給放電電流一個(gè)泄放通道,防止對(duì)內(nèi)部電路直接放電。這種做法的簡(jiǎn)化是在設(shè)備金屬外殼上涂絕緣漆或貼一層絕緣物質(zhì),使絕緣能力大于20kV。
因?yàn)殪o電會(huì)穿過孔洞、縫隙放電,所以絕緣外殼的孔洞、縫隙與內(nèi)部電路間應(yīng)留有足夠的空間,2cm左右的空氣隙可以阻止靜電放電的發(fā)生。對(duì)外殼上的孔、洞、排氣口等,用幾個(gè)小孔代替一個(gè)大孔,從EMI 抑制的角度來說更好。為減小EMI 噪聲,縫隙邊沿每隔一定距離處使用電連接。
對(duì)金屬外殼而言,外殼各部分之間的搭接非常重要,若機(jī)箱兩部分之間的搭接阻抗較高,當(dāng)靜電放電電流流過搭接點(diǎn)時(shí),會(huì)產(chǎn)生電壓降,這可能會(huì)影響電路的正常工作。
解決這個(gè)問題的方法有兩個(gè):1)盡量使外殼保持導(dǎo)電連續(xù),減少搭接阻抗。2)在電路與機(jī)箱之間增加一層屏蔽,減小電路與機(jī)箱之間的電容耦合。內(nèi)層屏蔽要與外殼連接起來。
如果是塑料外殼,則要求對(duì)電路的接地進(jìn)行仔細(xì)布置,以防止放電電流感應(yīng)到電路上去。塑料外殼的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生直接放電現(xiàn)象。如果塑料外殼上沒有大的開孔,則塑料外殼能對(duì)電路起到保護(hù)作用,但塑料外殼對(duì)防止操作者對(duì)周圍物體放電時(shí)耦合到內(nèi)部形成干擾無抑制能力。
評(píng)論