静电防护的相关知识及静电保护芯片TVS的应用

 

 

2009-12-23 13:50

静电多由绝缘体物体间互相磨擦或干燥空气与绝缘物磨擦产生.当它能量积累到一定程度,防碍它中和的绝缘体再也阻挡不住时,即发生剧烈放电,即静电放电(ESD),这时的最高电压可达几千乃至几万伏.势必对静电敏感组件造成损害

    生活,生产中静电可谓无处不在,无时不在,从举手投足间服装的磨擦,到干燥空气的流动,都是静电产生的原因.如果条件适宜,瞬间即可实现.这些都对CMOS等静电敏感电路造成极大威胁,因此电子行业尽一切努力进行静电防护.

静电放电(ESD)及电气过载(EOS)对电子元器件造成损害的主要机理有:热二次击穿;金属镀层熔融;介质击穿;气弧放电;表面击穿;体击穿等.

ESD的特殊性:一是静电的产生和积累要一定的条件和过程，所以未加保护也不见得件件产品都会受到ESD伤害，有一定的"偶然性；二是由于多数情况下ESD能量都较小，所以受到ESD伤害的也并不表现为立即报废，有些仅表现为漏电增加，工作不稳定，甚至在出厂测试中一时表现不明显，以后发现问题易归咎为材料不良或设计不良而不自省，因此常使人们认识不到ESD的危害，抱有侥幸心理.

静电防护的相关国际标准和国家标准有

.国际电工委员会的IEC 61000-4-2

Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4: Testing and measurement techniques - Section  2: Electrostatic discharge immunity test. Basic EMC Publication

.我国国家标准GB/T 17626.2《电磁兼容　试验和测试技术　静电放电抗扰度试验》

IEC 61000-4-2和GB/T 17626.2规定要求的最高试验电压是接触放电8kV,空气放电15kV(不包括开放等级的特殊电压,见下表)

　　一个良好的电子系统设备应该在电路设计的最初阶段就考虑瞬态保护要求。保护电路的基本原理是，使用电压箝位电路阻止高压进入，同时提供大电流分流通道。有多种电路设计可以达到ESD保护的目的，但选用时必须考虑以下原则，并在性能和成本之间加以权衡：
　　.速度要快，这是ESD干扰的特点决定的；
　　.能应付大的电流通过；
　　.考虑瞬态电压会在正、负极性两个方向发生；
　　.对信号增加的电容效应和电阻效应控制在允许范围内；
　　.考虑体积因素；
　　.考虑产品成本因素。
        一般来说，与外部设备连接的接口电路都需要加保护电路，具体的环节有：串行通信接口、并行通信接口、键盘接口、显示接口等。

     TVS（瞬态电压抑制器）二极管。是近几年发展起来的一种固态二极管，专门用于ESD保护。TVS二极管是和被保护电路并联的，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点，具有理想的保护作用。

改进后的TVS二极管还具有适应低压电路（＜5 V）的特点，且封装集成度高，适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用。其响应时间远小于1ns,有很低的箝位电压,经过多次ESD过程后不会劣化.这些特点决定了它有广泛的适用范围，尤其在高档便携设备的接口电路中有很好的使用价值。

Semtech系列超小型瞬态电压抑制器是为手机、PDA、数字摄像机、家庭多媒体和其它便携式电子设备的静电释放保护而设计的。具有及其广泛的用途.

SEMTECH的TVS器件可以同时满足多种电磁兼容的保护,例如:

IEC 61000-4-2 (ESD) 15kV (air), 8kV (contact)

IEC 61000-4-4 (EFT) 40A (5/50ns)

IEC 61000-4-5 (Lightning) 12A (8/20µs)

其对应的我国的国家标准分别为

GB/T 17626.2 1998静电放电抗扰度试验

GB/T 17626.4 1998电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

GB/T 17626.5 1998浪涌（冲击）抗扰度试验

SEMTECH的TVS器件的结构和布线方式非常简单,例如保护四条线路的TVS芯片其外部尺寸只有5.0 x 3.1 mm