ESD静电放电工作原理-仪表展览网
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ESD静电放电工作原理& & 我们在了解ESD测试模拟静电枪放电的时候应该要仔细研究下ESD的发生原理和各种现象。& & ESD放电发生原理：在一定电场中，存在电荷分布不平衡或者不均，或存在电压差，两者必须存在其一才会发生电荷转移或者强烈放电。& & ESD现象模拟：尖状物体靠近，圆形物体靠近，破坏了整个环境的静电系统平衡，产生了能量或者电荷转移或转化。& &静电枪正式基于上述几个典型的现象来做了近似的模拟，首先让电荷和电压通过前级电路充电到高压和几局电荷，Q=CU，然后再扣动后级开关产生静电现象。其后级电路决定了产生ESD放电的基本放电常数，圆头和尖头决定了产生ESD放电的基本接触形式。& &总结：ESD放电不是顶在上面（比如金属或者特定介质）才有电荷转移或ESD放电现象，在没有接触到介质之前，其实已经将空气击穿了，空气成为一种导体，将能量传导了将要接触的地方，当紧密接触了，又有类似的重启电荷分配。因此，世界的ESD放电应该是渐进式放电，并非接触放电，但因接触或者渐近的速度不一样，导致测试结果不一样，为了规范这一现象，都采用了现在的ESD标准，采用了智能的ESD放电枪，它们的特点是，用圆头时，顶在金属上面放不出电，用尖头时不接触时候也放不出电，避免了各种组合的放电现象。值得注意的是，ESD放电头的高压在5秒之内电压不能衰减5%，否则它就不符合ESD放电标准。& &&静电放电发生器的详细参数，请参阅链接： /ProductShow.asp 。专门应用在恶劣复杂环境中，误差范围达到±1°C，具有系统管理总线的温度传感器。
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静电是一种客观存在的自然现象，产生的方式多种，如接触、摩擦、电器间感应等。而我们在做EMC检测时候，经常会出现有关ESD的相关问题。今天小编就给大家详细的说一说ESD是如何产生又该如何做好防护。简单实用，一步到位！
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ESD保护电路概况及其电路设计
ESD 静电放电给你的电子产品带来致命的危害不仅降低了产品的可靠性，增加了维修成本而且不符合欧洲共同体规定的工业标准EN 就会影响产品在欧洲的销售，所以电子设备制造商通常会在电路设计的初期就考虑ESD 保护电路，本文将讨论ESD保护电路的几种方法。
1 ESD 的产生及危害
当两个物体碰撞或分离时就会产生静电放电ESD 即静态电荷从一个物体移动到另一个物体两个具有不同电势的物体之间产生静态电荷的移动，类似于一次很小的闪电过程放电量的大小和放电持续时间取决于物体的类型和周围的环境等多种因素，当ESD 具有足够高的能量时将造成半导体器件的损坏静电放电ESD 可能随时发生例如插拔电缆或人体接触器件的I/O 端口或者是一个带电的物体接触半导体器件半导体器件触地以及静电场和电磁干扰产生足够高的电压引起静电放电ESD。
ESD 基本上可以分为三种类型，一是各种机器引起的ESD， 二是家具移动或设备移动引起的ESD ，三是人体接触或设备移动引起的ESD ，所有这三种ESD 对于半导体器件的生产和电子产品的生产都非常重要电子产品的使用过程最容易受到第三种ESD 的损坏，便携式电子产品尤其容易受到人体接触ESD 的损坏ESD 一般情况下会损坏与之相连的接口器件，另一种情况是遭受ESD冲击后的器件可能不会立即损坏而是性能下降导致产品过早出现故障。
当集成电路IC 经受ESD 时放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流例如将带静电的电缆，插到电路接口上时放电回路的电阻几乎为零造成可高达几十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的IC管脚瞬间大电流会严重损伤IC 局部发热的热量甚至会融化硅片管芯ESD， 对IC 的损伤一般还包括内部金属连接被烧断钝化层被破坏晶体管单元被烧坏。
ESD 还会引起IC的死锁LATCHUP 这种效应和CMOS 器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关高电压可激活这些结构形成大电流通道一般是从VCC 到地串行接口器件的锁死电流可高达1 安培锁死电流会一直保持直到器件被断电不过到那时IC 通常早已因过热而烧毁了ESD冲击后可能存在两个不易被发现的问题一般用户和IEC测试机构使用传统的环路反馈方法和插入方法进行测试通常检测不出这两个问题。
1 RS-232 接口电路中接收器对发送器产生交叉串扰
同类产品RS-232 接口电路中的ESD 保护结构可能对某种波形的ESD或某个ESD 冲击电压失效经过ESD冲击后造成接收器输入端和发送器输出端之间形成通路从而导致接收器对发送器产生交调图一如果RS-232 接口电路中有关断电路那么关断期间经过ESD 冲击后更容易产生交调产生交调后将导致通信失败而且即使关断工作状态下发送器仍有输出导致关断失效使对方RS-232处在接收状态。
2 RS-232 接口电路对电源产生反向驱动
某些RS-232 接口电路中的ESD 保护结构经过ESD 冲击后可能在输入端与供电电源Vcc之间形成电流通路图二对其供电电源产生反向驱动如果供电没有吸入电流的能力通常来讲电源输出回路里有一个正向二极管这将导致电源电压Vcc 的增加从而损
坏RS-232 接口电路和系统内的其它电路因为RS-232 接口电路输入端的电压在5V 到25V之间使Vcc 有可能大于9V 超出电源电压的最大范围而烧坏电路。
2 ESD 保护电路
ESD 的产生是当两个物体碰撞或分离时即静态电荷从一个物体移动到另一个物体所以ESD最有效的保护是介质隔离是用绝缘介质把内部电路和外界隔离开1mm 厚的普通塑料如PVC 聚酯或ABS 能够保护8KV 的ESD 但是实际的介质不可能没有间隙和接缝所以材料的蠕变和间隙距离非常重要LCD显示屏触摸屏等都有很厚的边角12mm 隔离内部电路。
ESD 保护的第二个有效方法是屏蔽防止大的ESD 电流冲击内部电路ESD 冲击金属屏蔽外壳时最初几毫秒会比保护地电压高出许多屏蔽外壳电压会随着ESD电荷的转移而下降所以最初的几毫秒内会对内部电路产生二次ESD冲击所以仅仅使用外部屏蔽是不够的而要把内部电路与屏蔽外壳共地或者把内部电路进行介质隔离电气隔离也是一种抑制ESD 冲击的有效方法PCB 板上安装光耦和变压器虽然不能完全消除ESD的冲击但是结合介质隔离和屏蔽可以很好的抑制EDS冲击光耦和变压器尤其适合电源部分信号通路最好的隔离是光纤无线和红外线方式信号通路上的另一种保护方法是在每条信号线上外加阻容元件串联电阻能够限制尖峰电流并联到地的电容则能限制瞬间的尖峰电压这样做的成本低但是防护能力有限ESD的破坏力在一定程度上得到抑制但依然存在因为阻容元件并不能降低尖峰电压的峰值仅仅是减少了电压上升的斜率而且阻容元件还会引起信号失真以致限制了通讯电缆的长度和通讯速率外接的电阻/电容也增加了电路板面积。
另一种广泛使用的技术是外加电压瞬变抑制器或TransZorb?二极管这种防护非常有效，但仍有一些缺点外加器件仍会增加电路板面积防护器件的电容效应会增加信号线的等效电容成本较高TransZorb?二极管价格较贵大约25 美分/每个典型的3 发/5
收的COM 端口需要8 个TransZorb?二极管费用高达$2一种有效的方法是采用内部集成ESD 防护功能的串行接口器件这种器件比普通无防护功能的器件价格要贵但增加的费用比起外加防护二极管的费用要低内部集成的ESD，防护电路不会增加任何输入输出管脚的等效电容也节省了电路板面积MAXIM公司近几年发展了享有专利的集成ESD防护技术并可提供全系列的ESD防护串行接口器件包括与标准器件完全兼容的产品MAXIM公司还将同样的技术应用到模拟开关和开关去抖产品中所有这些器件的ESD 防护能力都符合15kV IEC 气隙放电8kVIEC 接触放电15kV人体模型HBM 测试标准下表是MAXIM公司具有抗静电功能的器件。
3 MAXIM 公司的ESD 保护技术
欧洲共同体所规定的ESD 保护有其严格的测试标准
对于正常工作方式下ESD 结构必须完全透明
ESD 过程中不能发生闭锁现象
必须通过所有相关ESD 测试标准
15kV ESD 人体模式测试标准
8kV ESD IEC
接触放电模式测试标准
15kV ESD IEC
空气间隙放电模式测试标准
4kV ESD IEC
电气快速瞬变/猝发模式测试标准
与15kV 人体模式测试标准之间的主要差别在于峰值电流相同电压下IEC
冲击的吸收电流要比人体模式高出5 倍以上4kV ESD IEC 电气快速瞬变/猝发模式测试标准是模拟产生开关和继电器的电弧放电结果MAXIM 器件可提供4kV 的保护两倍于IEC
标准的2kV 指标。
在现实世界中，ESD所产生的波形可能是各种各样的。不管是何种波形，MAXIM的工程师设计出了适应性非常强的结构对器件提供ESD 保护。因为每个器件的ESD门限不同，每个器件在正常工作状态关断状态和断电状态的ESD门限不同，所以MAXIM 公司严格按照如下步骤进行测试：
1 从200V 开始每次增加500V 对每个器件都用不同极性的电压冲击10 次
2 每次冲击后检查电源电流以确保器件没有闭锁检查发送器和接收器是否工作正常
3 重复上述步骤直到器件损坏或达到ESD 测试者的限制要求
4 用人体方式IEC
接触放电IEC
空气隙放电以及IEC 快速/瞬变/脉冲重复上述步骤
5 分别在正常工作状态关断状态和断电状态下重复测试保证达到ESD 保护的测试标准且不发生交调与反向驱动问题。
经过反复的比较和遴选，《今日电子》和21ic中国电子网举办的2013年度产品奖正式揭晓…
() () () () () () () () ()ESD的测量技术
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ESD的测量技术
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电子系统的静电放电(ESD)鲁棒性性能测试通常采用IEC作为标准。这个标准定义了每个电压等级下的冲击电流波形、如何校准ESD脉冲源、用于测量的测试环境、测试通过与失败的判据，此外还提供了如何进行测试的指南。但在对电子系统进行ESD测试时，人们并不知道被测单元实际能承受多大应力冲击。对在受冲击情况下没有接地的便携式产品来说，这点尤其正确。诚然，在便携式电池供电产品的ESD测试中，测量实际冲击电流是有可能的，甚至还可能通过简单地计算，展示如何从测量中获得额外的信息。对于小型产品来说，工程师经常在专门的测试环境中执行系统级ESD测试(图1)。对IEC测试而言，这些测试环境包括：地板上的金属接地板、木桌、放在桌子上的金属水平耦合板(到接地板有个0.95米长的连线，在水平耦合板之上的一个0.5mm绝缘层)。图1这样的测试环境必然能实现可重复的结果。首先，将被测设备(EUT)放在绝缘表面上，然后从不同的方向对EUT施加冲击。例如，给导电表面施加接触放电，这些表面包括所有金属外壳和连接器的接地金属壳。也可以向四周绝缘表面进行空气放电，并将重点放在可能的ESD路径上，比如设备外壳中的缝隙以及所有通风孔及键盘。间接放电测试也是工作的一部分，特别是在水平和垂直耦合板上进行间接放电，以模拟由相邻物体中的ESD事件引起的电磁干扰(EMI)效应。对设计师工程师来说，使事情变得更加困难和复杂的是施加到EUT上的实际冲击大小在这些测量中并不总是很明显。这里用一个便携式电池供电的个人数字助理(PDA)作为例子。首先，向USB端口的金属接地外壳施加接触放电模式的冲击，然后用具有1GHz上限带宽的变压器类型电流探头(最好是FischerCustomCommunications公司的F-65A)测量电流，并连接到标准的1GHz带宽示波器。请注意，探头内径需要足够大，以便适配IEC兼容ESDqiang的约12mm直径头子。图2为简化对这个特殊例子的描述，测量参考基准是直接位于桌面上的0.6平方米接地板，不再使用完整的IEC测试装置(图2)。ESDqiang的接地线连接到接地板的一个角。所有测量都在8kV电压下进行。第一次测量直接到接地板中心。这些测量结果采用扩展时间刻度。图3在第二次测量过程中，测试工程师将PDA面朝下放在接地板上，以方便接触微型USB连接器的金属屏蔽壳。进入PDA的电流远小于直接注入接地板的电流(图3)。为进一步减小电流，在PDA和接地板之间插入0.9cm的绝缘层。图4但是，我们见到的电流减小前后并不一致。当PDA直接放在接地板上时，初始电流尖峰降低了10%。当PDA放在0.9cm绝缘层上时，初始电流尖峰减低33%(图4)。在20ns点，直接放在接地板上的PDA受到的冲击要小69%，而位于绝缘层上的PDA受到的冲击要小93%。电流减少是在冲击状态下给PDA充电的结果。在每次冲击测试过程结束后，我们必须将PDA接地使它回到未充电状态才能进行下次测量。图5图5所示原理图可以用来很好地定量理解上述测量。150pF电容和330Ω电阻对IEC兼容ESDqiang来说是标准电路元件。qiang与接地板之间的寄生电容提供了IEC电流波形中包含的初始电流尖峰。这种寄生电容值只有几个pF，在定量讨论中我们可以忽略不计。工程师将电流探头放在放电qiang的尖端周围，然后开始直接向接地板放电，如图中的短线所示。对图3中直接放电到接地板的电流在300ns时间内进行积分，可以得到1.21μC的电量。这个电容几乎完全等于给150pF电容充电到8kV所预测的电容量。向PDA的放电通过一个并行平板电容表示，其中一个极板是PDA的一部分，另一个极板是接地板。在脉冲初期，PDA电容提供较低的阻抗，注入进PDA的电流近似于到地的放电电流。继续施加脉冲，电荷在PDA到接地板电容中累积，因此PDA上的电位上升，直到PDA和接地板之间的电位和150pF电容上的电压相等。这时，不再有电流流动，即使ESDqiang的电容还没有完全放电。对充电到PDA的电流进行积分，可以得到从ESDqiang转移到PDA的电荷数量。从ESDqiang转移到PDA的电荷量可以用来计算ESDqiang的150pF电容上剩下的电压，然后再算出PDA上的电压。理解这个电压以及PDA上测到的电荷之后，就可以计算出PDA和接地板之间的电容(见表1)。测量结果表明，直接放在接地板上的PDA充电到6,253V，而位于0.9cm绝缘层上的PDA充电到7,381V。这些数据分别对应于两种情况下的41.9pF和12.6pF电容。利用1kHz电感、电容和电阻计,对直接放在接地板上的PDA进行电容测量，结果是34pF。鉴于测量技术的不同，这个结果相当合理。测量表明，来自ESDqiang的电流在电子系统承受ESD冲击期间是可测量的。在本例中我们发现，像PDA或手机等便携式系统上的冲击能量要比源自ESDqiang的全部冲击能量要小得多。一个简单电路模型和基于测量电流的计算可以生成许多有用的信息，如转移到被测系统的电荷、系统升高的电压以及系统接地电容的近似值。在初始电流尖峰中的峰值电流不会像余下电流波形一样降得那么多。这个结果与模型也是一致的。在这个模型中，PDA的接地电容提供了初始电流尖峰的低阻抗到地路径。这种测量技术可以用在空隙放电的情况，只要到电流探头的意外放电不被解释为到被测设备的放电。
作者：未知 点击：1069次
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