ESD静电抑制器在电路中的应用

  • 2020年5月7日
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概述
esd(cm1235-08de)的意思是“静电释放”,英文:electro-static discharge 的缩写,即"静电放电"的意思.esd是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生、危害及静电防护等的学科.因此,国际上习惯将用于静电防护的器材统称为“esd”,中文名称为静电阻抗器.

静电的成因
静电是两种介电系数不同的物质磨擦时,正负极性的电荷分别积累在两个特体上而形成.当两个物体接触时,其中一个趋从于另一个吸引电子,因而二者会形成不同的充电电位.就人体而言,衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要因之一.
静电源与其它物体接触时,依据电荷中和的机理存在着电荷流动,传送足够的电量以抵消电压.在高速电量的传送过程中,将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场,严重时将其中物体击毁,这就是静电放电.国家标准中定义:静电放电是具有不同静电电位的特体互相靠近或直接接触引起的电荷转移(gb/t4365-1995),一般用esd表示.esd会导致电子设备严重损坏或操作失常.

静电的危害
静电对器件造成的损坏有显性和隐性两种.隐性损坏在当时看不出来,但器件变得更脆弱,在过压、高温等条件下极易损坏.esd两种主要的破坏机制是:由esd电流产生热量导致设备的热失效;由esd感应出过高电压导致绝缘击穿.两种破坏可能在一个设备中同时发生,例如,绝缘击穿可能激发大的电流,这又进一步导致热失效.除容易造成电路损害外,静电放电也极易对电子电路造成干扰.静电放电对电子电路的干扰有二种方式.一种是传导干扰,另一种是辐射干扰.

数码产品的构造及其esd问题
现在各类数码产品的功能越来越强大,而电路板却越来越小,集成度越来越高.并都或多或少的装有部分接口用于人机交互,这样就存在着人体静电放电的esd问题.一般数码产品中需要进行esd防护的部位有:usb接口、hdmi接口、ieee1394接口、天线接口、vga接口、dvi接口、按键电路、sim卡、耳机及其他各类数据传输接口。esd可能会造成产品工作异常、死机,甚至损坏并引发其他的安全问题.所以在产品上市之前,国内或国外检测部门都要求进行esd和其它浪涌冲击的测试.其中接触放电需要达到±8kv,空气放电需要达到±15kv,这就对esd的设计提出了较高的要求.
在壳体和pcb的设计中,对esd问题加以注意之后,esd还会不可避免地进入到产品的内部电路中,尤其是以下一些端口:usb接口、hdmi接口、ieee1394接口、天线接口、vga接口、dvi接口、按键电路、sim卡、耳机及其他各类数据传输接口,这些端口很可能将人体的静电引入内部电路中.所以,需要在这些端口中使用esd防护器件.

以往主要使用的静电防护器件是贴片式压敏电阻和tvs器件,但这些器件普遍的缺点是响应速度太慢,放电电压不够精确,极间电容大,寿命短,电性能会因多次使用而变差.所以目前行业中普遍使用专业的“静电抑制器”来取代以往的静电防护器件 .“静电抑制器”是专业解决静电问题的产品,其内部构造和工作原理比其他产品更具科学性和专业性.它由polymer高分子材料制成,内部菱形分子以规则离散状排列,当静电电压超过该器件的触发电压时,内部分子迅速产生尖端对尖端的放电,将静电在瞬间泄放到地.它更大特点是反应速度快(0.5ns1ns)、非常低的极间电容(0.05pf3pf),很小的漏电流(1μa),非常适合各种接口的防护.

静电抑制器的使用
因为静电抑制器具有体积小(0603、0402)、无极性、反应速度快等诸多优点,现在的设计中使用静电抑制器作为防护器件的比例越来越多,在使用时应注意以下几点:
1、将该器件尽量放置在需要保护的端口附近;
2、到gnd的连线尽可能短;
3、所接gnd的面积尽可能大.

esd与一般电压保护的压敏电阻的区别
现在仍然有很多电子工程师对静电的产生及防护了解不够,往往把静电阻抗器(esd)和用于一般电压保护的压敏电阻(emd)混为一谈.下面就简单介绍一下压敏电阻.
压敏电阻是一种无极性过电压保护元件,无论是交流电路或直流电路,只需将压敏电阻器与被保护电器设备或元器件并联即可达到保护设备的目的.压敏电阻的缺点是易老化和电容较高,老化是指压敏电阻内的二极管元件被击穿.由于大多数情况下p-n结过载时会造成短路,依其负载的频繁程度,压敏电阻开始吸引泄漏电流,泄漏电流会在敏感的测试电路中引起测量数据误差,同时,特别是在额定电压高的电路中,会造成强烈发热.
压敏电阻的电容高(更低都在100μf以上),使它在很多情况下不能在信号传输线路中使用.电容和导线电感形成一个低通电路,会使信号极大地衰减.但频率大约在30khz以下的衰减可以忽略不计.但是对于要求通过usb端口与计算机连接的大多数码产品来说,一旦连接端口的电容值大于5pf时,往往会引起数据传输出错或失败.
电子消费类、数码产品中专门的静电阻抗器esd(静电保护元件):电压范围为〈24v,极间电容有〈2.5pf的,响应速度小于1ns,极低的漏电流,封装主要为0603和0402.工作原理是:在电器正常工作过程中,esd只是表现为容值极低的(一般〈5pf)容抗特性,不会对正常的电器特性产生影响,且不会影响到电子产品的信号及数据传输;当器件两端的过电压达到预定的崩溃电压时,迅速(纳秒级)做出反应,以几何级数的量放大极间漏电流通过,从而达到吸收、减弱静电对电路特性的干扰和影响.同时,由于esd静电阻抗器的构成材质的特殊性,esd往往都是通过对静电进行吸收和耗散,亦即表现为一个充放电的过程,来达到对设备进行静电防护,所以设备中的esd静电阻抗器都不易老化损坏.
由于国外进口电子产品时均要求通过静电测试,这就要求我们设计产品时应充分考虑esd问题,在硬件的设计上应该注意的有以下几个方面的问题:首先,静电会通过两种渠道在传播,一种是感应的空气放电,另外一种是传导;感应的空气放电主要防护措施是屏蔽,主要考虑结构等方面的问题;传导的防护主要是吸收,我们只要在需要保护的端口前增加esd即可;其次,在我们增加保护器件esd时,尽量远离受保护的端口而尽量靠近静电到入口;在次,在设计pcb时经过esd期间的线路,尽量产生锐角;更后,应该重点考虑受保护器件的地线走向问题,是否也是全部纳入受保护的范畴,否则在做静电反向脉冲测试时,无法达到正向脉冲的等级.

相关信息
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