静电放电(ESD)设计

静电放电(ESD)设计王洪博，高级工程师，副主任无线通信及安全与电磁兼容实验室工业和信息化部电信研究院Tele:010-62304633-2018;FAX:[phone]Email:[e-mail]©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide2内容提要„一、ESD问题„二、ESD防护设计的通用原则„三、TVS器件及使用方法„四、无线便携式产品的ESD防护设计AdobeAcrobatDocumentMHTML文档©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide3电磁兼容标准的内容电磁兼容标准干扰发射敏感度传导辐射传导辐射电源线信号/控制线天线端口电场磁场电源线/信号线射频瞬态天线端口电场磁场静电放电AdobeAcrobatDocument©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide4企业EMC战略需求预测法规要求技术升级认证申请流程作业问题追踪资料保存协同研发©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide5EMC设计流程EMC验证-Inhousescan-3＇rdLab.scan-EMI/ESDVerify-Layoutmodifyifneed-SafetyDOCEMC验证-Inhousescan-3＇rdLab.scan-EMI/ESDVerify-Layoutmodifyifneed-SafetyDOCEMC设计验证-Inhousepre-scan-EMI/ESDdebug-Layoutmodify-SafetycheckEMC设计验证-Inhousepre-scan-EMI/ESDdebug-Layoutmodify-SafetycheckEMC设计审查-Schematiccheck-Placementreview-LayoutreviewEMC设计审查-Schematiccheck-Placementreview-LayoutreviewEMC确认-EMI/ESDconfirmation-EMCCertification-SafetyCertificationEMC确认-EMI/ESDconfirmation-EMCCertification-SafetyCertificationRegressionRegressionMPMPA2A2A4A4A3A3A5A5AdobeAcrobatDocument©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide6常见干扰源雷电NEMP脉冲电路ESD无线通信感性负载通断直流电机、变频调速器©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide7ESD问题不断增加„电路/系统…过去-稳固的ICs和低速信号…现在-敏感的ICs和高速信号„环境…过去-制造/公司…现在-家庭/室外/个人„在ESD测试中可能会损坏一些器件…ASIC…无源器件…半导体装置…RF功放„一些奇怪的失败„施加ESD火花引起…掉话…黑屏…附件的一些奇怪现象„在用户的口袋里、皮带卡子上会使移动台“充电”…通过耳机或头戴式麦克风“放电”（耳朵里会感觉很有意思）…向桌面上的物体或充电器放电…在放电时的强电场作用下，移动台会功能性地失常MicrosoftWordDocument©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide8静电荷的产生NylonNylonNylonABS+++++++++++++-----------摩擦U1=100VC=10pFQ=CU=1nAsNylonNylonNylonABS+++++++++++++-----------C=0.1pFQ=CU=1nAsU2=10kV分离•分离减小了电容，增加了电压•充电后的物体会把电荷转移到其它物体上•分离的速度越高，电压越高U1U2ABS：树脂MicrosoftWordDocument©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide9ESDIssuesfortheDesigner…MustmeetESDspecifications…SelectESDtolerantcomponents…Minimizesignaldegradation(fromR,L&C)…Boardspace/weight/properdesign…Componentcost…Assemblycost…Lifetimecost(stability)…Testthesystem©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide10IEC61000-4-2Standard„Dischargefrom150pFcapacitorthrough330ohmresistor„20ESDpulses…10positive,10negative„Usedforsystemcharacterization„“Contact”v.“Air”discharge…Differentlevels…DifferentapplicationsDualPolarityESDPulseGenerator(150pFcapacitordischargingthrough330ohmresistor)SystemUnderTestTerminalATerminalBIEC61000-4-2“ContactDischarge”TestConfiguration©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide11ESDCurrentWaveformCurrentWaveformThroughaShort-HBM-1.02.03.04.05.06.07.08.00100200300400500Time(nS)RiseTime:2nSTr10nS©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide12IEC61000-4-2TestLevels„Contactdischargeisthepreferredtestmethod-airdischargesarenotrepeatable„Airdischargesusedwherecontactdischargecannotbeapplied„NoimpliedequivalenceintestseveritybetweenthetwotestmethodsContactDischargeAirDischargeLevelTestVoltage(KV)LevelTestVoltage(KV)12122424363848415x*Specialx*Special•-xisanopenlevel.•Thelevelhastobespecifiedinthededicatedequipmentspecification.•Ifhighervoltagesthanthoseshownarespecified,specialtestequipmentmaybeneeded.©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide13无线产品ESD防护设计概述„用户接触的区域，如按键和I/O口易于受到ESD影响，因此需要保护。„一种简单技术就是把电容放置于通信线来吸收ESD脉冲，它减低了信号速率，增加了驱动电流消耗。„可以在板上采用放电器(sparkgap)，放电器设计保证在ESD脉冲过程熔断，电流被分流引入大地。然而这种技术占用较大的空间面积，老化后导致ESD防护不可靠。„MOV(metaloxidevaristor)器件在高压时可以断开，可使用在响应时间较慢的应用中。然而，笨重与大电容使它们不适合防护信号线，另外的缺点是其老化特性。„对于Zener二极管，尽管能够钳制给定电压下的大电流，但它产生有防护信号线不需要的寄生电容。„相比之下，连接地和电源端的快速、低容二极管是个很好的方案。它们可以处理大的峰值电流，具有很小的反向泄漏电流，可以抗多次ESD冲击而不损坏；它成功地把ESD脉冲从敏感保护器件引开，具有很长的寿命。然而，每一防护线需要一个二极管对。尽管每个器件的价格很低，总的安装成本和所需的空间使分离方案不适合。©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide14集成二极管防护网络©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide15优化ESD防护必须注意电路板的设计安装„首先，尽可能地减小ESD脉冲进入点与二极管保护网络之间的寄生电感，寄生电感将抗拒ESD脉冲电流的快速变化，使进入二极管网络的ESD电流流入被防护的器件。„对此，设计者应该把二极管网络放置在电感与被防护器件之间，这在两个方面改善了ESD防护性能：电感抗拒了电流的快速变化，并在时间上扩展，降低了峰值电流；ESD脉冲被强制先通过二极管网络，进入后面器件的只有很少一部分脉冲。©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide16优化ESD防护必须注意电路板的设计安装„其次，应避免电源端上的电感。„如果在网络与旁路电容之间存在大电感的话，网络将不能泄漏ESD脉冲。导致很高电压、快速上升ESD脉冲进入后面器件，采用尽量靠近二极管网络电源管脚的串联电容可以避免这个问题。„通常0.1至0.2pF的电容就足够，大电容不一定提供最佳的ESD性能，特别是串联电感较高时。„整个网络只要单个电容就可以。它不仅仅是限制电压，也限制流往后面的电流。如果被防护的器件对锁存现象较敏感，通过插入电阻限制输入电流，限制电流等于防护电压除以插入电阻。©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide17优化ESD防护必须注意电路板的设计安装„第三，设计者必须仔细考虑各种系统电源方案。在一些应用中，通信通道的一端在工作状态，而另一端在节电状态。„在这种情况下，节电器件供电脚上的电压将下降到零(ground)，任何进入ESD网络的信号将使与供电脚相连的二极管正向偏置，导致电流长时间的流过二极管，引起电池泄漏或系统的损坏。„在这种情况下，必须保证与电源相连的二极管在节电状态不吸收电流，这可通过放置一个外部二极管来实现。„电容吸收ESD脉冲，在节电状态时，外部二极管关闭；这时，它不再吸收电流到ESD网络。整个网络只需要一个隔离二极管，所以成本增加很小。MicrosoftWordDocumentMicrosoftWordDocument©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide18解决电荷注入问题的方法„解决电荷注入问题的一个方法是在人体和电子器件之间放置一块绝缘屏障。只要这个屏障不被击穿，就不会发生放电。„另一个方法是在人体与器件之间放置一块金属挡板。当然，这个金属挡板与器件之间必须有良好的绝缘，使它与器件之间不会发生放电。这时，静电放电事件是向金属板注入电荷，而不是器件。„无论使用哪种屏障，静电场的问题都不能解决。使用金属挡板时的不同点是，当放电发生后，电场是在挡板和器件之间，而不是在人体和器件之间。„要彻底解决静电场的问题和电荷注入问题，必须将系统（包括电缆）完全包围起来，或者将金属挡板接地。当金属板与大地连接后，金属板上的电荷会泄放掉，从而消除静电场。将系统完全包围起来的金属壳体可以保证没有任何电场到达系统，即使壳体的外表面充满了电荷也没有关系。（这相当于系统中所有的设备都有金属外客，电缆也是屏蔽的场合）©CATR王洪博：静电放电(ESD)设计；2010年6月9日；深圳Slide19解决电荷注入问题的方法„在前面的静电放电模型中，放电脉冲中的高频成分主要是由手、臂和键盘的电容产生的放电电流引起的。这些高频电流是金属板内的电荷再分布电流。另外，在这个模型中，由人体对地电容形成的放电电流主要导致低频成分，并携带了大部分放电