摘 要 結(jié)合微機顯示終端的設(shè)計經(jīng)驗，就靜電放電防護的意義、靜電產(chǎn)生的機理、保護電路的要求、常用保護電路的特點、選用原則、PCB布線應注意的事項等進行探討。
關(guān)鍵詞 靜電放電 防護設(shè)計 保護電路
1 引言
有些電子設(shè)備在正常使用時莫名其妙地發(fā)生故障，在排除了其它原因后，就要考慮因靜電放電(ESD)造成的損壞。一個值得信賴的操作員即使在正常的設(shè)備操作中也可能因衣服或皮膚帶有危害的電荷而使機器“死機”，甚至損壞硬件設(shè)備?，F(xiàn)代半導體器件的規(guī)模越來越大，布線工藝已達到亞微米階段，導致了半導體器件對外界應力敏感程度的提高。ESD對于電路引起的干擾及其對元器件特別是對CMOS電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電路及其構(gòu)成的電子設(shè)備的ESD電敏感度測試也開始作為電磁容性測試的一項重要內(nèi)容。本文討論ESD的機理及電路設(shè)計時的保護措施。
2 ESD的機理
兩種物體相互摩擦時，由于電子與離子的親和性不同，會在兩物體間引起電子與離子的移動，形成一方帶正電荷，另一方帶負電荷。當兩物體離開后，在各物體上產(chǎn)生額外的電荷，當積累的電荷達到一定量后，電荷會向相反極性的一方遷移，這時就發(fā)生放電現(xiàn)象。人體的轉(zhuǎn)動引起衣服間的相互摩擦，或人在地毯(非防靜電地毯)上行走，都會使人體帶靜電，其電壓可達2 kV～15 kV。
眾所周知，CMOS器件最怕靜電，這是CMOS器件的氧化膜工藝決定的。當然，不同于早期的CMOS器件，現(xiàn)在的CMOS器件的引腳內(nèi)部都設(shè)有保護電路，但由于面積的限制，其等效二極管的結(jié)面積不可能很大，從而使其能力十分有限。因此，在使用CMOS器件設(shè)計系統(tǒng)的接口電路(包括系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間的接口)時仍然要考慮加保護電路。
3 保護電路
一個良好的電子系統(tǒng)設(shè)備應該在電路設(shè)計的最初階段就考慮瞬態(tài)保護要求。保護電路的基本原理是，使用電壓箝位電路阻止高壓進入柵極，同時提供大電流分流通道。有多種電路設(shè)計可以達到ESD保護的目的，但選用時必須考慮以下原則，并在性能和成本之間加以權(quán)衡：
.速度要快，這是ESD干擾的特點決定的；
.能應付大的電流通過；
.考慮瞬態(tài)電壓會在正、負極性兩個方向發(fā)生；
.對信號增加的電容效應和電阻效應控制在允許范圍內(nèi)；
.考慮體積因素；
.考慮產(chǎn)品成本因素。
常用的瞬態(tài)抑制保護電路有以下幾種：
(1) 箝位二極管保護電路。工作原理如圖1所示。使用2只二極管的目的是為了同時抑制正、負極性的瞬態(tài)電壓。瞬態(tài)電壓被箝位在V++VPN～V--VPN范圍內(nèi)，串聯(lián)電阻擔負功率耗散的作用。利用現(xiàn)有電源的電壓范圍作為瞬態(tài)電壓的抑制范圍，二極管的正向?qū)娏骱痛?lián)電阻的阻值決定了該電路的保護能力。但這些元件參數(shù)的選定必須兼顧不影響信號正常傳輸?shù)囊蟆Ｍㄟ^筆者對1萬臺以上產(chǎn)品的試用證明，本電路具有極好的保護效果，同時其代價低廉，是理想的保護電路，適合成本控制比較嚴、靜電放電強度和頻率不十分嚴重的場合。
(2) 壓敏電阻保護電路。壓敏電阻的阻值隨兩端電壓變化而呈非線性變化。當施加在其兩端的電壓小于閾值電壓時，器件呈現(xiàn)無窮大的電阻；當施加在其兩端的電壓大于閾值電壓時，器件呈現(xiàn)很小電阻值。此物理現(xiàn)象類似穩(wěn)壓管的齊納擊穿現(xiàn)象，不同的是壓敏電阻無電壓極性要求。使用壓敏電阻保護電路的特點是簡單、經(jīng)濟、瞬態(tài)抑制效果好、對電路帶來的負面影響甚微，且可以獲得較大的保護功率。
(3) 穩(wěn)壓管保護電路。背對背串接的穩(wěn)壓管對瞬態(tài)抑制電路的工作原理是顯而易見的。當瞬態(tài)電壓超過V1的穩(wěn)壓值時，V1反向擊穿，V2正向?qū)?；當瞬態(tài)電壓是負極性時，V2反向擊穿，V1正向?qū)?。將這2只穩(wěn)壓管制作在同一硅片上就制成了穩(wěn)壓管對，使用更加方便。
(4) TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）二極管。這是最近發(fā)展起來的一種固態(tài)二極管，專門用于ESD保護。一般選擇工作電壓大于或等于電路正常工作電壓的器件。TVS二極管是和被保護電路并聯(lián)的，當瞬態(tài)電壓超過電路的正常工作電壓時，二極管發(fā)生雪崩，為瞬態(tài)電流提供通路，使內(nèi)部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。由于TVS二極管的結(jié)面積較大，使得它具有泄放瞬態(tài)大電流的優(yōu)點，具有理想的保護作用。但同時必須注意，結(jié)面積大造成結(jié)電容增大，因而不適合高頻信號電路的保護。
改進后的TVS二極管還具有適應低壓電路（＜5 V）的特點，且封裝集成度高，適用于在印制電路板面積緊張的情況下使用。這些特點決定了它有廣泛的適用范圍，尤其在高檔便攜設(shè)備的接口電路中有很好的使用價值。
下文介紹哪些電路需加保護。
一般來說，與外部設(shè)備連接的接口電路都需要加保護電路，其中也包括電源線，這一點往往被硬件設(shè)計所忽視。以微機顯示終端的設(shè)計作為例子來講，應該考慮安排保護電路的環(huán)節(jié)有：串行通信接口、并行通信接口、鍵盤接口、顯示接口等。
串行接口是故障發(fā)生概率最高的模塊，原因是多方面的，一般認為系統(tǒng)地線噪聲是主要原因，而用戶盲目地將設(shè)備的電源插頭插入火、零、地線混亂的電源座也是不罕見的。本文從ESD防護的角度來分析這個問題，認為ESD同樣會導致串行口的器件故障。通信電纜不恰當?shù)姆笤O(shè)方法，常常導致通信電纜成為ESD后有害電流的入侵途徑。人體或其它目標對設(shè)備整機放電后，會造成整機地電位的改變，此時串行口電路又成了受害者。
當通信速率在115.2 kb/s以下時，給串行口選擇保護電路較容易，上面介紹的幾種電路均可使用。但要注意，保護電路給通道增加的電容值和電阻值要保持在能夠承受的范圍內(nèi)，過大的串聯(lián)電阻會影響串行通信的傳輸距離。比如，在串行口設(shè)置保護后，有些需要從串行口的信號線取得電流、維持電路工作的“無源”設(shè)備往往會工作不正常，所以保護電路中的器件參數(shù)必須精心計算。除了在串行接口電路中安排額外的保護電路外，選擇內(nèi)部帶有ESD保護功能的接口器件也是可取的辦法。市場上帶有ESD保護功能的接口器件的售價往往是常規(guī)器件的5～10倍，這又讓設(shè)計者不敢問津，而TI公司的75185是價廉物美的器件。
并行接口、鍵盤接口加保護措施的必要性在于其電路采用了LSI，特別是FPGA、ASIC等可編程門陣列，給電路帶來的不安全因素。如果像IBM的早期產(chǎn)品IBM PC/XT一樣，使用74LS322來實現(xiàn)鍵盤電路，那么正常操作鍵盤，或者帶電插拔鍵盤不會引起鍵盤口的損壞，或者說損壞的概率極低。只有用放電裝置專門對鍵盤放電時，才會引起鍵盤接口的損壞。然而，采用FPGA、ASIC等可編程門陣列后，情況就完全不同。在沒有保護的情況下，電路板在車間流水線上調(diào)試時，會發(fā)現(xiàn)接口的損壞，用戶正常操作時也會損壞設(shè)備，尤其在少雨地區(qū)更是如此。這時，帶電插拔打印機、鍵盤等冒險操作是絕對不允許的。
顯示接口的保護更有必要，這是因為顯示控制器的設(shè)計已由以前的時鐘、核心、數(shù)模轉(zhuǎn)換器三部分發(fā)展成為單片方案，因此顯示控制器制造廠家已在向用戶提供的推薦電路中增加了保護電路。顯示和邏輯主板一體化后，雖然顯示信號在內(nèi)部互聯(lián)，不向外輸出，但其保護的必要性并沒有降低。其原因是，一體式機器中顯示電路的打火產(chǎn)生的強電脈沖會輕易地導入顯示信號接口電路；另外，無論一體式顯示設(shè)備或分體式顯示設(shè)備，往往設(shè)計有對比度調(diào)節(jié)旋紐，被用長線引到顯示器的面框上，如果旋紐結(jié)構(gòu)不合理或安裝不周密，帶靜電的手指也會放電。要注意針對不同信號選擇不同的電路，行同步、場同步信號是TTL輸出，大多數(shù)保護電路都適用，RGB視頻信號輸出電壓是0.7 V(峰—峰值)，根據(jù)筆者設(shè)計經(jīng)驗，使用串有電阻的二極管箝位電路具有很好的保護效果，箝位電壓范圍可以是0～+5 V 。
印制電路板布線是抗瞬態(tài)沖擊設(shè)計的重要方面。保護通道中的寄生電感會產(chǎn)生電壓尖峰，量值會超過IC的引腳所能承受的極限值。根據(jù)IEC 1000-4-2標準，ESD產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊可能在1 ns內(nèi)達到峰值，在1 cm長的引線上就會產(chǎn)生80 V電壓、10 A電流的脈沖。因此，設(shè)計時必須努力減小被保護信號線以及信號回路（地線）上的寄生電感量?？刹扇〉拇胧┯校罕M量縮短引線長度，加大信號線寬度，印制導線敷錫等。
4 結(jié)束語
保護電路設(shè)計在設(shè)備使用過程中以及在產(chǎn)品的制造、運輸安裝階段均有重要意義。據(jù)一家顯示器廠統(tǒng)計，在產(chǎn)品設(shè)計中未對視頻輸入通道和行、場同步通道增加箝位保護時，其半成品在生產(chǎn)線上經(jīng)常發(fā)生視頻通道三極管以及行、場IC的失效，但在這些通道上設(shè)計箝位保護電路后，幾乎不再發(fā)現(xiàn)同類失效的例子。
來源：常州國光電子總公司 作者: 褚建民
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