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是本世紀中期以來形成的以研究靜電的產(chǎn)生、危害及靜電防護等的學(xué)科。因此,國際上習(xí)慣將用于靜電防護的器材統(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,正負極性的電荷分別積累在兩個特體上而形成。當(dāng)兩個物體接觸時,其中一個趨從于另一個吸引電子,因而二者會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,依據(jù)電荷中和的機理存在著電荷流動,傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送過程中,將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場,嚴重時將其中物體擊毀,這就是靜電放電。國家標準中定義: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會導(dǎo)致電子設(shè)備嚴重損壞或操作失常。
靜電對器件造成的損壞有顯性和隱性兩種。隱性損壞在當(dāng)時看不出來,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)出過高電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個設(shè)備中同時發(fā)生,例如,絕緣擊穿可能激發(fā)大的電流,這又進一步導(dǎo)致熱失效。
除容易造成電路損害外,靜電放電也極易對電子電路造成干擾。靜電放電對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問題
現(xiàn)在各類數(shù)碼產(chǎn)品的功能越來越強大,而電路板卻越來越小,集成度越來越高。并都或多或少的裝有部分接口用于人機交互,這樣就存在著人體靜電放電的ESD問題。一般數(shù)碼產(chǎn)品中需要進行ESD防護的部位有: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、耳機及其他各類數(shù)據(jù)傳輸接口。
ESD可能會造成產(chǎn)品工作異常、死機,甚至損壞并引發(fā)其他的安全問題。所以在產(chǎn)品上市之前,國內(nèi)或國外檢測部門都要求進行ESD和其它浪涌沖擊的測試。其中接觸放電需要達到±8kV,空氣放電需要達到±15kV,這就對ESD的設(shè)計提出了較高的要求。
在殼體和PCB的設(shè)計中,對ESD問題加以注意之后,ESD還會不可避免地進入到產(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防護器件。
以往主要使用的靜電防護器件是壓敏電阻和TVS器件,但這些器件普遍的缺點是響應(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”來取代以往的靜電防護器件 ?！办o電抑制器”是專業(yè)解決靜電問題的產(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)靜電電壓超過該器件的觸發(fā)電壓時,內(nèi)部分子迅速產(chǎn)生尖端對尖端的放電,將靜電在瞬間泄放到地。它最大特點是反應(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。
因為靜電抑制器具有體積小(0603、0402)、無極性、反應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點,現(xiàn)在的設(shè)計中使用靜電抑制器作為防護器件的比例越來越多,在使用時應(yīng)注意以下幾點:
1、將該器件盡量放置在需要保護的端口附近
2、到GND的連線盡可能短
3、所接GND的面積盡可能大
ESD與一般電壓保護的壓敏電阻的區(qū)別
現(xiàn)在仍然有很多電子工程師對靜電的產(chǎn)生及防護了解不夠,往往把靜電阻抗器(ESD)和用于一般電壓保護的壓敏電阻(EMD)混為一談。下面就簡單介紹一下壓敏電阻。
壓敏電阻是一種無極性過電壓保護元件,無論是交流電路或直流電路,只需將壓敏電阻器與被保護電器設(shè)備或元器件并聯(lián)即可達到保護設(shè)備的目的。壓敏電阻的缺點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)過載時會造成短路,依其負載的頻繁程度,壓敏電阻開始吸引泄漏電流,泄漏電流會在敏感的測試電路中引起測量數(shù)據(jù)誤差,同時,特別是在額定電壓高的電路中,會造成強烈發(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傳輸線路中使用。電容和導(dǎo)線電感形成一個低通電路,會使信號極大地衰減。但頻率大約在30kHz以下的衰減可以忽略不計。但是對于要求通過USB端口與計算機連接的大多數(shù)碼產(chǎn)品來說,一旦連接端口的電容值大于5pf時,往往會引起數(shù)據(jù)傳輸出錯或失敗。
電子消費類、數(shù)碼產(chǎn)品中專門的靜電阻抗器ESD(靜電保護元件):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:在電器正常工作過程中,ESD只是表現(xiàn)為容值極低的(一般〈5pf)容抗特性,不會對正常的電器特性產(chǎn)生影響,且不會影響到電子產(chǎn)品的信號及數(shù)據(jù)傳輸;當(dāng)器件兩端的過電壓達到預(yù)定的崩潰電壓時,迅速(納秒級)做出反應(yīng),以幾何級數(shù)的量放大極間漏電流通過,從而達到吸收、減弱靜電對電路特性的干擾和影響。同時,由于ESD靜電阻抗器的構(gòu)成材質(zhì)的特殊性,ESD往往都是通過對靜電進行吸收和耗散,亦即表現(xiàn)為一個充放電的過程,來達到對設(shè)備進行靜電防護,所以設(shè)備中的ESD靜電阻抗器都不易老化損壞。
由于國外進口電子產(chǎn)品時均要求通過靜電測試,這就要求我們設(shè)計產(chǎn)品時應(yīng)充分考慮ESD問題,在硬件的設(shè)計上應(yīng)該注意的有以下幾個方面的問題:首先,靜電會通過兩種渠道在傳播,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措施是屏蔽,主要考慮結(jié)構(gòu)等方面的問題;傳導(dǎo)的防護主要是吸收,我們只要在需要保護的端口前增加ESD即可;其次,在我們增加保護器件ESD時,盡量遠離受保護的端口而盡量靠近靜電到入口;在次,在設(shè)計PCB時經(jīng)過ESD期間的線路,盡量產(chǎn)生銳角;最后,應(yīng)該重點考慮受保護器件的地線走向問題,是否也是全部納入受保護的范疇,否則在做靜電反向脈沖測試時,無法達到正向脈沖的等級。
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