电路板设计ESD防护器件该如何选择

ESD (Electro-Static Discharge，静电放电)可能导致元器件内部线路受损，直接影响产品的正常使用寿命，甚至造成产品的损坏。因此，ESD防护一直以来都是工程师们的工作重点。 静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。这三种特性又对元件产生如下几种影响： 1．静电放电电场或电流产生的热，使元件受伤（潜在损伤）。 2．静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆）， 对产器造成干扰甚至损坏（电磁干扰）3．静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。 4．静电放电破坏，瞬间高压使元件受损不能工作(完全破坏)。 静电对产品损害有哪些特点？ 1. 随机性 元件甚么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说，从一个元件产生以 后，一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机动性性。其损坏也具有随机动性性。 2. 潜在性 有些元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次累加放电 会给器件造成内伤而形成隐患。因此静电对器件的损伤具有潜在性。 3.复杂性 静电放电损伤的失效分析工作，因产品的精、细、微小的结构特点而费 时、费事、费钱，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。即使如此，有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其他 失效。这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从 而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以静电对器件损伤的分析具有复杂性。 4. 隐蔽性 人体不能直接感知静电除非发生静电放电,但是发生静电放电人体也不一 定能有电击的感觉,这是因为人体能感知的静电放电电压为2－3 KV,所以静电具有隐蔽性。因此我们说ESD防护在我们常用的消费类终端产品，特别是日益增多的各类数码产品中体现的尤为重要。而冬天人体产生的静电非常强烈而且频繁，当我们接触手机、数码相机或MP3等手持设备时，静电常常通过人体引入设备中；而目前的产品广泛采用大规模的集成电路，如果没有专门的静电防护，轻则引起芯片复位、数据丢失、关机等现象，重则击穿芯片造成永久性破坏，给我们的日常生活带来不必要的麻烦和经济上的损失！因此为保证整个系统有较好的ESD防护能力，外部ESD防护器件是必不可少的。ESD防护器件选择ESD防护器件通常称作瞬态电压抑制器(TVS)。ESD TVS器件采用的技术主要有三种：压敏电阻、聚合物和硅二极管，每种技术各有其独特特性。1．金属氧化物压敏电阻(MOV)压敏电阻在小电流和低电压下具有高阻抗，但在高电压和大电流下，它们的阻抗大幅下降，因此它们属于电压箝位器件。压敏电阻是双向保护器件，具有很宽范围的电流和电压保护能力，适用从高压输电线路和雷电保护，到到小型ESD表面贴装器件等应用领域。然而，相对于它们的导电率来说，它们电容较大，这意味着它们在高速信号线路保护方面的应用受到限制。压敏电阻在遭受多次应力后，性能也会下降，即使远低于单次应力导致的损坏等级。2．聚合物浪涌抑制器聚合物浪涌抑制器件为消弧器件，且总是双向保护器件。它们的电容很低，对高速应用具有吸引力。但是它们的短处是导通电压高、导通阻抗性能相对较差，遭受多次应力时易于性能下降。3．TVS二极管如今大多数的二极管都是采用硅制造的固态器件。它们为双端器件，很容易让一个方向上的电流流过，但在相反方向上，它们呈现高阻抗，直到两端电压达到击穿电压。二极管本质上为单向器件，保护方式为电压箝位。二极管的特性取决于N区与P区的掺杂程度，这两个区离结点的距离远近不同。调节掺杂程度能构建反向偏置击穿电压在几百伏到仅几伏之间的二极管。设计有明确定义的反向偏置击穿电压的二极管，通常称作齐纳二极管。基于二极管的TVS产品拥有其它ESD防护产品所不具备的多用性——可选择单向和双向保护。基本二极管是单向产品，且是仅有的单向保护元件。串联结合两个二极管就能轻易地构成双向保护。双向保护可通过共阴极或共阳极配置来实现。使用一对单向TVS器件便能实现双向保护性能。市面上有多种基于双向二极管的TVS器件，这些器件中的两个二极管均位于同一个封装，甚至经常集成在单个硅衬底上。过去，硅TVS器件由于电容高，在保护低压高速信号线路方面存在劣势。然而，近年来的技术进步消除了这种不利因素。安森美半导体的新产品ESD9L5.0将硅器件保护的优势与高速应用要求的低电容结合在一起。这个产品的特性就像一个简单的齐纳二极管。事实上，ESD9L5.0包含一个击穿电压低的齐纳二极管和一对击穿电压高(因而电容小)的标准二极管。ESD防护器件的比较表1总结了前面谈及的三类TVS器件的基本特性。选择恰当的保护器件应考虑多种因素，其中关键的决定因素就是被保护电路的特性。对应力有不对称敏感度的电路节点，可能需要只有TVS二极管产品才能提供的单向保护。高速应用要求非常低的电容，这使得使聚合物器件具有吸引力。聚合物器件可以满足对低电容和保护能力的要求。为了让聚合物TVS产品可以用在高速应用中，，高速节点需要在瞬态高压下工作以导通聚合物TVS，并在导通模式下提供中等阻抗。由于成本低、不要求高压导通，压敏电阻常常具有吸引力。如果它们被制造得足够大以提供具有足够低的导通阻抗，从而提供充足的保护，那么它们的电容通常对高速应用而言就太大了。TVS二极管产品具有很好的箝位能力，如今市场上也有超低电容的TVS产品，甚至适合最高速的应用。二极管也颇具吸引力，因为它们能够用作单向保护器件，匹配当今许多高速数字信号的电压范围。