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Maxim引领ESD保护之路:ESD器件怎样解决电路保护问题?

发布时间:2012-06-06

中心议题:
  • 静电放电(ESD)潜在危害
  • 高压来自何处?
  • 测试方法与标准
  • 针对I/O端口的新型ESD测试
  • ESD保护方法

静电放电(ESD)常常是导致设备损坏的根源,这些设备通常安装在上厂的地面或现场。由于这种失效常常表现为其它类型的故障,因此很难找到真正的故障原因。例如在制造过程中,终检所发现的问题往往可以追踪至一个损坏的元件或组件,接着又联
系到(经过进一步研究)OEM制造或测试中的某进上序,在这进上序中,某个器件遭到了ESD袭击。

上业设备的早期失效和后期安装问题常常是由安装过程中的ESD而造成的。ESD的潜在危害是它只造成仪器性能的退化(至少在初期)并不明显地影响系统的上作。这种状况将导致系统的不稳定或非线性,而在数月或数年内不会造成“硬”故障。

本文将讨论如何保护你的产品不受ESD危害。概括了电子行业的标准测试方法,提供一些通用的抗ESD冲击技术,并给出一些Maxim专有的ESD保护器件。通过严谨的设计,这些芯片能够在节省成本的前提下改善产品的质量,从而维护公司的信誉。

潜在危害

图1中的显微图片表明竞争对手的RS-232接口芯片在受到15kV(一般测试水平)的ESD冲击后的损坏情况,强大的压力使芯片内的金属汽化,结果造成明显的大面积损坏。其它情况下,考察栅氧化层或

图1.该显微图片表示不带保护的 RS-232接收器受ESD冲击后造成的损坏情况

掩理层内的不明显的故障时需要仔细地移开金属层或其它层。ESD还有可能通过一定的进入仪器的核心。类似于闪电冲击> ESD会顺着电路延伸直到能最耗尽为止,其结果难以预料。

高压来自何处?

机械地分离两种不同的材料会产生静电,这些中性材料的表面被不同程度地电化成两层,或许外层带有大量电子,这些电子被材料中的大部分t1:电荷平衡;另一种材料呈现出相反的表面电荷,当表面具有异性电荷的材料接触时,电子的迁移使一种材料失
去负电荷,相应的另一种材料失去t1:电荷。这就是所谓的摩擦起电,是静电产生和转移的基本方式。

表1列出了不同材料摩擦起电的电荷特性,如玻璃、尼龙带t1:电,硅、聚四氟乙烯带负电。材料的导电性也对材料表面建立电荷的能力有影响,许多材料的导电性或表面电阻很大程度上取决于湿度,湿度越低导电能力越低,越容易阻止电荷的迁移使其停
留在原位。
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表1.摩擦起电特性

实际上,静电高压通,常是由人与周围物体的相互作用产生的,可以想象,当一个人坐在塑料椅子的胶木台面上时,如果他身着羊毛裤、袜、穿着皮鞋、棉衬衫、系真丝领带,我们很难定最分析以上能够摩擦起电的混合材料,但可以断定有大最的电荷被
建立。针对不同情形可以用几种公认的模型描述带电人体,最为通行的模型(图2)是充电到15,OOOV的100pF电容与1500。电阻串联。

图2 放电时,该电路(人体模式)产生快速上升的峰值电流,电流峰值为15kv/1.5千欧姆—高达10A

测试方法与标准

两种通行的集成电路ESD敏感度检测方法已被修改后用于最终设备的测试,如下节所述。早期采用的方式,MIL-STD-883中的方法3015.7,作为包装、搬移芯片时的必要防范手段得到了广泛应用,这种方法检测封装的每个引脚,并与其它引脚相对比,依照
最低失效电压对器件分级。

该测试中所施加的信号是由一个被称为人体模型的电路(图2}产生的电流波形,这个电路模拟人体的典型电容和源阻抗。由于实际送到芯片的波形与相关的测试连线及线路板的寄生电感、寄生电容有关,要求电路布线非常严格。电流波形代表人体接触物体
(如IC)时产生的ESD。

由口本电了上业联合会(EIAJ)选定的另一种测试方法与上述方法相比只是选用C的大小不同。这种所谓的Ic-121方法是基于一个被称为机器模型(图3)的电路,所采用的测试电流波形类似于芯片,搬运机械接触时产生的冲击。通过模拟聚集在移动部件上的电荷所产生的ESD波形模拟机器装配时产生的静电放电。

两种测试方法互为辛吭,所以不能用其中一种代替另一种·因为不管在制造过程中、在印刷板装配中、还是在最终产品投人使用后,ESD都有可能侵害Ic,结合人体模型和机器模型的综合测试有利于保证Ic在制造过程中和使用寿期内,对于严酷的环境具有足够的承受力。

以上两种测试方法均是针对芯片的,最终产品的裸露接口还需要其它特殊的检测。例如,通过连接器暴露在外界的芯片引脚即使在将Pc板安装于机箱内部时也会受到ESD的冲击,而与线路板上电路相连的引脚则不容易受到ESD的冲击。
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对于这类芯片,类似于方法3015.7检测组合引脚)的测试手段无法对输沁输出(I/O)引脚提供适当的ESD敏感度的描述。机器模式和方法3015.7提供引脚的最低失效电压等级,但不能确切判断I/O引脚需要的较高的内部ESD保护电平(由制造商提钧,有些器件的I/O引脚能够承受士15kV的冲击,而非I/O引脚或许受到士2kV冲击时就损坏了,如果利)I I上述测试方法对其检测,得出的结论是ESD保护等级低于士2kV幸运的是>III于I/O引脚测试的更好的方法已经产生。

针对I/O端口的新型ESD测试

I/o端口允许系统与其它设备进行通信,芯片的I/o口包含与外部设备进行连接的逻辑电路引脚,这些引脚应该能够承受静电放电和其它因操作员在连接或断开电缆时的不规范操作带来的影响。对于外部接口芯片的I/o引脚,理想的ESD检测方法是:

.对实际设备仅采用模拟ESD事件的方法测试I/O引脚·

.采用模拟人体产生的静电放电波形进行测试。不同电路模型规定不同的幅值、上升/下降时间和功率。

.分别在供电和断电期间测试IC

.定义IC故障,包括“死锁”(暂时性的功能失效)、  灾难性损坏或参数失效。“死锁”被认为是一种结构性的故障,因为,如果不做检测,它可能带来可靠性问题,导致系统故障。

有两种方法一均符合上述要求一已被设备制造商广泛采用,来测试I/O端口的ESD防护能力(图3)第一种方法修改自Method 3015.7 > MIL-STD-883它采用了与原来方法相同的电路模型和波形,但只将ESD脉冲施加于器件的I/o引脚。这种方法的口的是模拟已安装于线路板并运行于口标系统中的Ic所遭遇的故障电流。

第二种方法是IEC 1000-4-2 >现已成为国际标准。相比Method 3015.7测试条件,它规定了更高的电容和更低的电阻}IE C 1000-4-2被广泛地)II于测试终端设备的接口(表2)。值得一提的是> Maxim公司的模拟开关和RS-232/RS-485接口IC完个符合这些ESD标准,且无须外围儿件。
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ESD保护方法

保护接口免受ESD损坏是设计者的责任,业内提供了多种选择,每种方式各有利弊。下面的讨论将试图揭开许多关于ESD保护措施的误解和谜团。

电容保护

这种方法被广泛应用于大批消费类和汽车设备中。它通过输人端和地之间一个简单的并联电容来保护输人引脚。这种想法认为足够容最的电容能够吸收ESD放电,而不会超过所连接IC引脚的ESD额定值。为了方便说明,考虑一个连接至外部的引脚,且具有2kV的ESD额定值。

按照IEC 1000-4-2模型规范,将一个150pF的电容充电至15kV。如果将一个1500pF的电容并联在暴露的引脚上,它将最大充电至测试电压的1/10 (1.SkV)由l几该值低于IC的ESD额定值,于是有些人认为万事大吉。这种方法被广泛采用>但它对于问题的认识过于简单化。在某种条件下它可以提供一定的保路上作不受必要的电容或寄生电感的影响为说明这种保护方式对于布线的敏感程度,考虑印刷板上一段1 cm长的线条,它具有的电感最大约为7nH。当一个幅度为30A的电流脉冲以lns的上升时间(IEC1000-4-2波形,图4)施加于7nH电感时,很容易计算出每厘米接地线将产生210V的电压毛刺。

电阻保护

电阻保护串联于接口引脚。该阻抗能够限制峰值电流,有助于消耗瞬态功率。与电容保护相似,必须注意,要确保电路上作不会受到阻抗增加带来的负面影响。另一个需要注意的问题是,电阻自身也有可能对ESD敏感。金属薄膜电阻采用的制造方
法,导体金属化相似,通常具有类似的ESD限制。这些串联电阻的寄生电容则是另外一个问题,一个短暂的跳变,即使通过几个pF电容,一样能够导致IC输人严币损坏。

电阻一电容保护

这种方法是R和C保护技术的混合。每个接口引脚上所需的两个元件,根据部分PC板面,同时增加了成本、降低了可靠性。RC网络和铁软体磁珠或磁环一起,通常用于EMI抑制。

MOV和TransZorb下M保护

在I/O引脚上连接金属一软化物压敏电阻或硅舌崩型抑制器是非常有效的保护措施。但是,它们的价格通常较高、体积较大,而且在接口端增加了额外的容性。与电容保护类似,这些儿件要求低感抗(短)接地回路。

增强ESD抵抗能力的布线要领

.遵守标准的模拟布线技术,将所有的旁路及电泵电容放置在尽可能靠近Ic的位置(尤其是接口Ic>}

.在印刷板上设置一个接地平面。

.保护电路或Ic尽最靠近I/o端口放置。
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Maxim IC的内部保护

在斤发内置ESD保护IC方面> Maxim已经投人了极大的努力。开始是RS-232和RS-485接口IC,现在此类保护器件又增加了几种模拟开关和MAX681_系列开关去抖器。所有器件都能够承受直接施加于其I/o引脚上的IEC 1000-4-2 ESD放电。Maxim相干这是控制系统内ESD的最好方法。它更为强健、技术成熟,而且成本低于大多数同类方案。

Maxim提供许多ESD保护的RS-232接口Ic同时很好地结合了驱动器和接收器。其中有超低功耗的RS-232接口,它们I司时集成了Maxim的AutoShutdownTM技术·本年,几项新的创新业已公开ESD保护类RS-232接口领域。例如,采用超小型的SOT封装、具有完整的ESD保护的单RS-232发送器和接收器(MAX318_系列)就能够解决许多小型便携式设备中的实际问题。

另外,已经发布的产品中还有一款专用于数据电缆的独特的ESD保护接口。用于蜂窝电话的数据电缆通‘常是在电缆中,而非电话中,包含了一个RS-232接口。这样,这种应用的ESD保护不仅要求在接口IC的RS-232端,而且还包括逻辑端。MAX3237E是唯一针对这个问题提供解决方案的IC。它提供了一个完整的5发送器,3接收器接口(如同modem)Maxim下}一划推出更多具有双端ESD保护的RS-232接口,以适合于其它应用,如PDA片座或其它电话装置。

R S-485接口

在具有ESD保护的RS-485接口方面> Maxim也处于领导地位。在率先将ESD保护应用于这类器件后,Maxim在这个方面推出了17种产品,而且还有许多产品正在研制。值得一提的是,前年我们推出了MAX3095/MAX3096,将Maxim强健的ESD保护结构和低功耗上作模式延伸到了早期的26LS32四接收器上(引脚兼容)。另外,前年还发布了一系列的3.3V. ESD保护类 RS-485接口IC。例如,Maxim创新的MAX348_ E系列,包括ESD保护、轻负载、限斜率输出和低功耗等特点。

模拟开关

Maxim是第一个认识到ESD保护应用于模拟开关和多路复用的价值的IC制造商,这些器件在许多应用中直接与外部系统接口,因而提供ESD保护是有必要的。第一类是一系列的ESD保护开关和多路复用器·该系列包括几款具有士15kV ESD保护的低电压IC引脚兼容于4051的8:1 CMOS模拟多路复用器(MAX4558),引脚兼容于4052的X4:1 CMOS模拟多路复)IJ器(MAX4559),引脚兼容于4053的3组SPDT开关(MAX4560 ),以及引脚兼容于4066的SPST CMOS模拟开关(MAX4551)第二个系列的器件采用JSOT23封装,具有+-15kV ESD保护,包括单路单刀单掷(常幼开刃MAX4568) >单刀单掷(常闭)开关(MAX4569)和单刀双掷开关(MAX4561)。
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