之后我会在这里和大家分享 DFM可制造性分析、PCB设计、DFM工具,电路设计等相关的知识,请大家多多指教。
在电子行业中,保护设备免受ESD损坏是必须要注意的。静电放电(ESD)是一种非常高的电压尖峰,很容易损坏集成电路和低功率半导体等小信号元件。
常见的ESD是由接触电子设备引起的,电荷在内累积,然后当身体接触到设备时,电荷就会放电,并伴随着非常高的电压尖峰。
钳位二极管最常用于集成电路中,以保护器件免受ESD的损坏。微、数字信号和处理器都具有内部的ESD钳位二极管。但是在低成本内部有时候会没有钳位二极管,这个时候就需要靠近在外部添加一个钳位二极管。下图是IC固有的ESD钳位二极管。
正常工作时,假设引脚1的电压预计在0-3.3V之间,D1和D2不会干扰。假设高电平为3.3V,则D1反偏不导通,另一方面D2也是不导通的,因为阴极连接到VCC,引脚的高电平等于VCC。当引脚1中的电压为0时,D2反向偏置,D1无偏置。
当存在由ESD引起的高压尖峰时,二极管会导通。例如:尖峰非常高,D2将正向偏置,尖峰将转移到VCC,从而保护IC的内部组件。当存在非常高的负尖峰时,D1将传导并将尖峰转移到地面。
这里必须要了解清楚你使用的IC是否具有保护。如果没有的话,就在外部添加钳位二极管。如下图所示:
如果打算在IC的所有引脚中都添加钳位二极管的话,那是肯定不行,而且成本也会很高。通常来说,在产品制造并放入外壳后,IC将不能再用,钳位二极管需要实现的特性引脚比较少。当然钳位二极管你可以用硅二极管或者肖特基二极管。
通常来说,编程引脚是供工程师使用的。有些产品需要在现场重新编程,编程引脚上发生ESD的可能性比较高。
在编程引脚上添加钳位二极管的另一个原因是因为合规性,如果你是要销售自己的产品,那就必须要遵守ESD标准。在ESD测试中,裸露的引脚是特意注入电压尖峰,产品不能够损坏。
一般来说,不会希望产品在没有什么理由的情况下重置或者重启,这个时候复位引脚可从外部访问,当ESD发生时,设备可能会重启启动或者永久损坏。在浪涌等其他合规性测试期间,复位引脚可能会受到干扰,设备将重新启动,这样的情况不希望发生的。(虽然这不是ESD情况,但是由于浪涌电压尖峰的电平非常高,也相当于模拟了ESD)
这些引脚实际上,从外部是没有办法访问的,ESD在这些引脚上的可能性很小,然后再浪涌测试或者实际浪涌期间,这些引脚可能会遇到更高的尖峰电压,而这些尖峰本质上就像ESD。根据经验松开尖峰,就会容易损坏ESD。
下图显示了常见的TVS符号,图A、B为双向TVS,C为单向TVS。双向TVS可以阻止ESD正向或负向尖峰。另一方面,单向的只能抑制一个定向尖峰。
在电路正常工作时,TVS不导通。但存在正尖峰时,设备将钳位,当存在负尖峰时,设备将正向偏置并将尖峰转移到地面。
在正常工作下,TVS 不会产生干扰。在正电压尖峰或负电压尖峰期间,TVS将钳位并保护 IC。
使用齐纳二极管作为ESD保护与单向TVS原理相同,齐纳二极管的缺点是不如TVS快,并且考虑到TVS相同的尺寸,只能处理较小的能量,需要更大的齐纳二极管来承受能量,但是会占用PCB的空间,成本也会更高。
在汽车电路设计中,假定具有300PF的等效电容。该电容可以存储高达8KV的电位,当人接触任何东西时,体内的电荷就会放电。如果是小型电子设备,就会损坏。
下面的设置显示了安装在IC引脚中的电容如何受到ESD保护,当接触到该引脚时,的电容与电容ESD形成并联。正因为如此,内的8KV电位才会被抑制。
根据电荷守恒:Qinitial=Qfinal。Cfinal是CESD和电容的并联组合。Ufinal 是电容器将承受的实际电压。然后:
因此,在引脚上安装33nfESD保护电容后,引脚所承受的电压仅为79.2V,而不是8KV,而电容的额定电压必须高于此值,如果要进一步降低电压水平,只需要增加ESD电容即可。但是进一步增加电容也会增加PCB的尺寸。
以上就是4种防止ESD损坏设备的方法。你可以让任意选择,这4种方法在应用程序中有优点也有缺点,可以在实际测试中验证是否真的有效。
电流被感应到闭合且具有变化的磁通量的电路回路中,电流的幅值与回路的面积成正比。也就是说,回路的面积必须减少,因为回路越大,磁通量越大。
电流被感应到闭合且具有变化的磁通量的电路回路中,电流的幅值应与回路的面积成正比,也就是说,回路的面积必须减少,因为回路越大,磁通量越大,在电路中感应出的电流越强。
最常见的回路上图所示,由电源和地之间的环路面积,还降低了ESD脉冲产生的高频EMI电磁场。如果不能使用多层电路板,则电源和地线必须如下图所示连接到一个网格上。
并网连接可以起到电源和地层的作用,各层印刷线路均与过孔相连,过孔之间的连接间距在每个方向上应在6cm以内。另外在布线时,电源和接地印制线尽量靠近也可以减少环路面积,如下所示:
更好的一个方法时,在保护线mm以内的信号线附近布设接地信号线,每个传感器或者电源线cm)与接地线。
长信号线也可以成为接收ESD脉冲能量的天线,使用较短的信号线会降低信号线作为天线接收ESD电磁场的效率,互连相邻位置的设备以减少互连印刷线的长度。
ESD直接放电到接地层可能会破坏敏感电路。因此,在使用瞬态二极管时,最好在易损元件的电源和地之间防止一个或者多个高频旁路电容。旁路电容减少电荷注入并保持源极和接地端口之间的电压差。TVS分流感应电流,保持TVS钳位间的电压差。TVS和电容应尽可能靠近被保护的IC放置,以确保从TVS到地的路径最短以及定然的长度,以减少寄生电容效应。
连接到必须安装到PCB上的铜层,理想情况下,铜层必须与PCB接触层隔离,并通过短导线连接到焊盘。