26人体静电放电ESD及保护电路的设计精.docx
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26人体静电放电ESD及保护电路的设计精
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技
术创新
电子设计
《PLC技术应用200例》
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人体静电放电（ESD及保护电路的设计
HumanBodyElectro-StaticDischargeandTheProtectionCircuitDesign
（1.河北科技大学;2.河北理工大学薛同泽
1
沙占友
1
崔博
2
XUETONGZESHAZHANYOUCUIBO
摘要:
随着集成电路及电子设备的广泛应用,人体静电放电的危害性日益引起人们的重视。
首先介绍人体静电放电模型及测试方法,然后阐述几种新型集成化静电放电保护器件的原理与应用。
关键词:
ESD;模型;测试;ESD保护器件中图分类号:
TN03文献标识码:
B
Abstract:
Withthebroadapplicationoftheintegratedcircuitandtheelectronicdevice,moreattentionispaidtothedamageoftheElectro-StaticDischarge（ESD.FirstlythepaperintroducedthemodelandthemeasuremethodsofthehumanbodyESD.ThentheprincipleandtheapplicationofseveralnewtypeESDprotectionICsareexpatiated.Keywords:
ESD,Model,Measure,ESDProtectionICs
文章编号:
1008-0570（200705-2-0303-02
1引言
“静电放电”简称ESD（Electro-StaticDischarge。
近年来随着科学技术的飞速发展,微电子技术的广泛应用及电磁环境日益复杂,人们对静电放电的防护及ESD设计也愈来愈重视。
目前,ESD保护器件正从分立元件向集成化电路、从单路保护向多路保护的方向发展。
2人体静电放电（ESD模型及测试
方法
当物体之间互相摩擦、碰撞或发生电场感应时,都会引起物体表面的电荷积聚,产生静电。
当外界条件适宜时,这种积聚电荷还会产生静电放电,使元器件局部损坏或击穿,甚至酿成火灾、爆炸等严重后果。
特别是随着高分子材料的广泛使用,更容易产生静电现象,而电子元器件微型化的趋势,更使静电的危害日趋严重。
静电放电（ESD的危害极大,特别是对集成电路和半导体器件。
如果静电放电发生在电子部件上,可导致电子部件的损坏;轻者击穿二极管,重则损坏集成电路。
试验表明,未加静电保护措施的RS-232接口芯片,受到15kV（一般测试水平的静电放电冲击后会造成永久性损坏。
这是因为在静电放电瞬间产生的大电流将芯片内部的金属气化,导致大面积损伤。
特别是
CMOS电路和MOS场效应管,其输入阻抗很高,输入电容又非
常小,即使在输入端感应少量的电荷也会形成高压,而将器件损坏。
目前国际上对静电放电定义了4种模型:
人体静电放电模型（HBM,HumanBodyModel,
机器模型（MM,器件充电模型（CDM,电场感应模型（FIN。
由于人体与电子元器件及设备的接触机会最多,因此人体静电放电造成的比例也最大,人体静电放电模型是指人体在地上行走、摩擦或受其他因素影响而在身体上积累了静电,静电电压可达几千伏甚至上万伏,当人体接触电子元器件或设备
时,人体静电就会通过被接触物体对地放电。
此放电过程极短（几百纳秒,所产生的放电电流很大,很容易损坏元器件。
人体静电放电模型可等效于1.5kΩ的人体电阻与100pF的人体电容的串联电路。
测试人体静电放电的方法如图1所示。
图1中,RC为充电时的限流电阻,RD为人体电阻,CS为人体
图1测试人体静电放电的方法
电容。
测试过程是首先闭合S1,断开S2,由直流高压源经过
RC对CS进行充电;然后断开S1,闭合S2,CS就经过RD对被测器
件或设备进行放电。
考虑到静电电压很高,难于测试,而电流比较容易测试,因此一般采用测试静电放电电流的方法。
人体在静电放电时的电流波形如图2所示,图中的IP代表峰值放电电流,
t1表示IP从0上升到90%所需时间,t2为IP从90%升至100%
所需时间,t3为IP从100%降至36.8%所需时间。
对应于不同的人体静电电压所产生的放电电流与时间的关系见表1。
图2人体在静电放电时的电流波形
薛同泽:
副教授
303--
技术创新
中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与SOC2007年第23卷第5-2期
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《现场总线技术应用200例》
电子设计
表1人体静电放电电流与时间的关系
3.1ESD保护二极管
ESD保护二极管是一种新型集成化的静电放电保护器件。
典型产品有MAXIM公司生产的DS9502、DS9503。
DS9502内部可等效于7.5V的齐纳稳压二极管,当输入电压超过其9V触发电压时就被嵌位到7.5V上。
只要输入电压不低于5.5V,就能维持在反向击穿状态。
DS9503与DS9502的区别只是在正极和负极端各增加了一只5Ω的隔离电阻。
DS9502、DS9503的泄漏电流仅为30nA,触发电流约为600mA,维持电流约为30mA,最大
峰值电流可达2.0A。
最高可承受27kV的瞬态电压。
它们能与采
用5V电源的各种逻辑电路兼容,特别适合对SRAM存储器模块进行ESD保护。
其外形尺寸仅为3.7mm×4.0mm×1.5mm,工作温度范围是-40~+85℃。
DS9502、DS9503均采用TSOC-6封装,内部结构分别如图3（a、（b所示。
其中,
图3DS9502、DS9503的内部结构A、C分别接内部ESD保护二极管的正极、负极。
NC为空
脚。
R1、R2分别为正极、负极的5Ω电阻引出端。
DS9502、DS9503
在反向击穿时的伏安特性曲线如图4所示。
当输入电压超过9V时,ESD保护二极管就被反向击穿,击穿电压UCA≈7.4~7.8V。
当输入电压降至5.5V时仍能维持在反向击穿状态。
图4伏安特性曲线
图5MAX3208E的内部框图
3.2多路ESD保护器件的原理
MAX3207E、MAX3208E、MAX3205E分别为双路、四路、
六路高速ESD保护集成电路,内部集成了由高压瞬态电压抑制器
（TVS构成的±15kVESD保护器件,能满足高速、
单端或差分输入的需要。
可广泛用于PC、显示器、USB接口、投影仪、手机、高清晰度电视（HDTV、机顶盒的ESD保护。
由MAX3205E/3207E/3208E所提供的钳位保护,能承受在IEC61000-4-2国际标准中规定的各种ESD脉冲,包括人体静电放电电压、接触放电电压和气隙放电电压。
内部TVS的正向压降约为0.8V（典型值,能将正向或反向瞬态电压钳位到规定值。
可将±15kV的人体放电时的峰值电压限制在±25V,将接触放电时±8kV的峰值电压限制在±60V,把气隙放电时±15kV的峰值电压限制在±100V。
MAX3207E属于双通道器件,适用于USB1.1（传输速率为12Mbps、USB2.0（传输速率为480Mbps。
MAX3208E为四通道器件,适用于以太网的保护。
MAX3205E为六通道器件,适用于手机连接器或SVGA视频连接器的保护。
每个通道的输入电容仅为2pF,各通道之间的输入电容偏差仅为0.05pF。
电源电压范围是0.9~5.5V,电源电流仅为1nA（典型值。
工作温度范围是-40~+125℃。
下面以四路高速ESD保护集成电路MAX3208E为例,其内部框图如图5所示。
芯片中包含±15kV的ESD保护二极管阵列以及瞬态电压抑制器。
每个通道都包含一对ESD保护二极管,可将ESD电流脉冲引到电源端（UCC或地（GND。
瞬态电压
抑制器起到钳位作用。
钳位电压（UC与保护二极管的导通压降（UF、
负极上出现的电源电压有关。
对于正ESD脉冲,UC=UCC+UF;对于负ESD脉冲,UC=-UF。
但是受内部分布电感的影响,在ESD冲击过程中
会使钳位电压升高一定的幅度。
为了在ESD冲击下获得尽可能低的钳位电压,应在UCC端与地之间接一只等效串联电阻（ESR很低的0.1μF陶瓷贴片电容。
4ESD保护器件的应用
4.1DS9502/9503的典型应用
DS9502/9503的典型应用电路如图6所示。
信息纽扣
“iButtion”
（informationButton是图6典型应用电路
达拉斯半导体公司生产的一种置入圆形不锈钢纽扣中的微芯片,它能代替智能卡工作在恶劣环境中。
信息纽扣需借助于读写器来获得电源和收、发数据,具有体积小、坚固耐用、寿命长等优点,可广泛用于电子商务、身份识别等领域。
信息纽扣与微处理器（μP进行通信时,可将DS9502/9503插在二者之间起到
ESD保护作用。
DS9503通过探针连接信息纽扣,再把数据传送
到μP的I/O接口。
4.2MAX3208E的典型应用
MAX3208E的典型应用电路如图7所示。
MAX3208E就并联在被保护电路的I/O口线与地之间。
（下转第309页
304-
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技术创新
电子设计
《PLC技术应用200例》您的论文得到两院院士关注5结论
通过本文的研究,可以得出如下结论:
①DSTATCOM作为一种电力系统并联补偿装置除了能抑
制谐波、补偿不平衡和补偿功率因数外,还能有效的抑制电压跌落和抑制电压闪变等电压质量问题;
②DSTATCOM用于改善配电网电压质量问题时,其改善的性能与DSTATCOM的运行模式有关。
研究结果表明,恒功率因数
模式适合于抑制电压闪变,而恒电压模式适合于抑制电压跌落;
③本文的研究结果对DSTATCOM装置在工程应用方面也
有一定的借鉴作用,可以根据DSTATCOM的不同补偿目的选择合适的运行模式。
本文作者创新点:
DSTATCOM主电路采用基于VSI-SPWM结构的电压型逆变器,指令电流的运算和补偿电流的控制均采用同步旋转参考坐标系。
根据无功指令电流形成的不同方法,
DSTATCOM有恒功率因数和恒电压两种运行模式。
在两种运行模式下对DSTATCOM抑制电压跌落和电压闪变进行了仿真研
究,仿真结果表明,恒功率因数模式适合于抑制电压闪变,而恒电压模式适合于抑制电压跌落。
参考文献
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31-34[10]李鹏;
高金峰;刘韶峰电流平均值谐波检测法的SIMULINK仿真研究[J]微计算机信息2004,8
作者简介:
王跃球（1967-,男,湖南武岗人,讲师,硕士,主要从事
控制工程和无功功率补偿方面的研究;唐杰（1975-,男,湖南武岗人,讲师,博士,主要从事有源滤波和无功功率补偿方面的研究。
（422400湖南邵阳邵阳学院信息与电气工程系王跃球唐杰（DepartmentofElectricalandInformationEngineering,ShaoyangUniversity,Shaoyang422400HunanProvinceWangYueqiu,TangJie
通讯地址:
（422000湖南湖南邵阳学院信息与电气工程系
王跃球
（收稿日期:
2007.3.23（修稿日期:
2007.4.25
（上接第304页
在设计印制板时应注意以下事项:
第一,尽量减小I/O口线的引线长度;第二,电源与地应单独布线,以减小分布电感;第三,尽量减小电源与地的回路;第四,勿将关键的信号线布置在印制板边缘处;C1和C2应尽量靠近UCC端。
图7MAX3208E的典型应用
5结论
静电放电（ESD的危害极大,特别是对集成电路和半导体器件。
本文介绍了人体静电放电模型及相关测试方法,并阐述了几种新型集成化静电放电保护器件的原理与应用。
本文作者创新点:
阐述了MAXIM公司生产的几种新型ESD保护器件:
DS9502、DS9503;MAX3207E、MAX3208E、MAX3205E的原理,并给出了它们的典型应用电路。
参考文献
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乔玉娥,张金红,雷兆明.典型家用电器电磁兼容共性技术研究[J]微计算机信息,2005,19:
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马洪涛,睢丙东.单片开关电源保护电路的设计,电工技术,2000（12
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电子工业出版社,2003.1:
220-222[5]吴昕,
钱照明,开关电源EMC设计的研究现状及发展.北京:
第五届全国电磁容学术会议论文集:
22~26
作者简介:
薛同泽（1950-,女,汉族,河北廊坊人,河北科技大学副教授,研究方向:
电工电子。
沙占友（1944-,男,汉族,河北石家庄人,河北科技大学教授,硕士生导师,研究方向:
计算机测
控技术与智能仪器。
Biography:
XueTongze（1950-,Female,LangfangCityHebeiProvince,HebeiUniversityofScienceandTechnology,associateProfessor,MasterResearcharea:
electronics.ShaZhanyou（1944-,Male,ShijiazhuangCityHebeiProvince,HebeiUniver-sityofScienceandTechnology,Professor,MasterResearcharea:
intelligentapparatusandmeasurementtechnology.
（050054河北石家庄河北科技大学信息科学与工程学院
薛同泽沙占友
（063009河北唐山河北理工大学信息学院崔博
（CollegeofInformationScienceandEngineering,HebeiUni-versityofScienceandTechnology,Shijiazhuang050054XueTongzeShaZhanyou
（CollegeofInformation,HebeiPolytechnicUniversity,Tang-shan063009CuiBo
通讯地址:
（050054河北石家庄河北科技大学信息科学与工程学院薛同泽
（收稿日期:
2007.3.23（修稿日期:
2007.4.25
309--
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