EFT防护措施.docx

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EFT防护措施

一、触发电路的作用

片上ESD/EFT的保护本质上有两个方面要求：

用低阻抗的泄放通道安全的泄放瞬态大电流以阻止体硅的热损坏和将巨大的脉冲电压钳位在一个安全的范围内以避免内部工作电路由于电压过载而受损。

ESD/EFT防护电路设计目的就是要避免工作电路成为ESD/EFT的放电通路而损坏，确保有合适的低阻旁路将ESD/EFT电流引入电源线或地线。

这个低阻旁路不但要能吸收ESD/EFT电流，还要能钳位工作电路的电压，防止内部的工作电路由于电压过载而受损。

一个理想的保护电路应该具有下列特征：

1、非常低的导通阻抗；

2、Trigger电压应该大于最坏情况下的电源电压值（VDD+10%）

3、Trigger电路具有几乎瞬时的打开时间；

4、非常高的能量处理能力；

5、保护电路只有在EFT/ESD事件发生时才打开，正常工作时不工作；

6、寄生效应很小；

7、在I/O单元中占的面积小；

8、在EFT/ESD事件中，能将PAD电压限定在被保护电路的安全电压值内。

片上ESD/EFT保护网络主要包括I/O保护和电源保护两部分。

图1为典型的EFT/ESD保护电路结构。

前级I/O保护通过将PAD电压限制在一个定值，避免大部分干扰电流流入I/O及内部电路，致使I/O或内部电路失效；电源保护网络主要是迅速检测到VDD上的高压或高频干扰信号，使ESD/EFT产生的高压对电路破坏前就提供一条由VDD到VSS的低阻通路，将大电流快速的泄放到地。

图1典型EFT/ESD保护电路结构

触发电路

我们通常把RC频率辨别电路和反相器驱动电路一起称为触发（Trigger）电路。

Trigger电路是该部分保护电路设计的核心，Trigger电路应该在瞬态脉冲事件发生时导通NMOSClamp，并持续到EFT事件完毕后才关断。

NMOSClamp就是普通的NMOS器件，放置在VDD总线和VSS总线之间，利用MOS器件在导通时的线性低阻抗特性从而实现对电源电压的钳位。

RC电路包括一个电容和一个电阻，串接在VDD和VSS之间。

电阻可以是NMOS或PMOS晶体管。

当VDD总线上出现脉冲干扰，

频率辨别电路检测到符合EFT脉冲判定条件的信号时，将会使第一个反相器的输入端拉低，经三级反相后使NMOSClamp管的栅极电压拉高而导通，在VDD总线和VSS总线之间提供一条低阻抗通路，达到对电源电压钳位的目的。

图2为RC触发MOSFET电源电路结构。

图2RC触发MOSFET电源电路结构

EFT触发电路的设计原理如图3所示

EFT触发电路是整个EFT保护网络设计的核心部分，不仅要能快速准确的检测到快速上升的EFT事件，控制NMOSclamp管的开断，还要区分正常的上电事件和EFT事件，防止正常上电过程中发生的误启动。

图3EFT触发电路的设计原理

二、EFT防护措施

1、电源线的措施

解决电源线干扰问题的主要方法是在电源线入口处安装电源线滤波器，以阻止干扰进入设备。

这时，只要在电源线的入口处安装一只含有共模滤波电容的电源线滤波器，线——地之间的共模电容是抑制这种瞬态干扰的有效器件，它使干扰旁路到机壳而远离内部电路。

当这个电容的容量受到泄漏电流的限制而不能太大时，共模扼流圈必须提供更大的保护作用。

这通常要求使用专门的带中心抽头的共模扼流圈，中心抽头通过一只电容连接到机壳。

如果设备的机箱是非金属的，则地线面不能起到较好的旁路左右，在这种情况下，主要靠提高电感高频特性发挥作用。

采用铁氧体磁芯吸收的方案非常便宜也非常有效。

一般将铁氧体磁芯作用在干扰源头和设备的入口最为有效。

在电源设计中，抑制电快速瞬变脉冲群干扰的主要措施是滤波，在实际设计滤波器时采用共模扼流圈与差模电容组合的方式构成滤波器。

共模扼流圈是由铁氧体磁珠和铜导线绕制而成。

铁氧体磁珠的抗干扰能力与其本身的磁珠特性及几何尺寸有关，对于同种磁芯的磁珠而言，其长度越长，内径越小，外径越大，抑制效果越好。

因此随频率增加铁氧体磁珠阻抗不断增加，在低频段其阻抗主要由电感分量构成，且阻抗非常小;而在高频段，其阻抗主要由电阻分量决定，此时感性分量仍很小。

因此铁氧体磁珠可以很好地抑制EFT的高频干扰，并将其能量转化为热量散发出去。

在微机保护装置的电源端口采取过电压抑制和滤波来抑制EFT对微机保护装置的干扰。

常用的过电压抑制方法有：

放电间隙、气体放电管、氧化锌压敏电阻和瞬态抑制二极管等。

常用的滤波方法有：

电磁干扰滤波器、电源滤波器和铁氧体磁珠等。

在微机保护装置的电源端口施加3级EFT/B，微机保护装置内5V工作电源在未采取抑制措施和采取上述抑制措施时受到干扰的波形见图4。

比较图4（a）、4（b）和4（c）可看出，过电压抑制器件瞬态抑制二极管和压敏电阻对EFT都有一定的抑制作用，但由于压敏电阻的响应速度慢，其对EFT/B的抑制效果不如瞬态抑制二极管。

比较图4（a）、4（d）、4（e）和4（f）可看出，普通的电源滤波器对EFT/B的抑制效果很差，而电磁干扰滤波器和铁氧体磁珠，尤其是铁氧体磁珠抑制EFT/B的效果十分显著。

图4在电源端口受3级EFT/B干扰时未采取措施和采取抑制措施情况下5V电源电压的波形

在微机保护装置的电源端口施加4级EFT/B时，其内部芯片的电源电压波形见图5。

图5（a）弱电电源系统没有采取滤波措施，图5（b）芯片电源和数字地之间接入了0.1μF的去耦电容。

比较图5（a）和5（b）可看出，微机保护装置内部数字电路的芯片电源和地之间接入去耦电容可有效减弱耦合到芯片的EFT/B。

图5进行4级EFT/B抗扰度试验时微机保护装置内芯片电源电压波形

2、I/O口

对于I/O保护电路，现在工业上使用最多的是工作在Non-Snapback区的二极管,它是最简单但却非常有效的一种保护器件，使用二极管作为保护器件有一些明显的优势：

二极管通常工作在正偏区域，导通电阻很小，能够泄放较大的电流；在正常工作模式时处于反向截止状态，不影响电路的正常工作；只有二极管的结电容，响应速度是最快；可以通过串联的方式来改变触发电压；二极管的单位面积放电能力比较强；任何工艺都支持，不需要额外的掩膜版。

图6为典型的基于二极管的I/O保护电路。

图6典型的基于二极管的I/O保护电路结构

输入保护：

当在正常工作模式下

、

、

和

反偏，相当于一个很大的电阻，正常传导PAD上的信号给内部电路。

当PAD上出现大于

的正干扰脉冲时，二极管

和

将正向导通，对

泄放大电流，并将PAD上的电压钳位到比

只大一个二极管正向导通电压（

+

）的电压，从而避免了过压或大电流进入内部电路。

同样道理，当PAD上出现小于

的负压干扰脉冲时，

和

正向导通，对

泄放大电流，并将PAD上的电压钳位到比

只小一个二极管正向导通电压（

-

）的电压。

因此输入缓冲电路中MOS管的栅极电压钳制在[

-

，

+

]之间，防止由于栅源电压过高而导致的输入缓冲器的栅氧层击穿。

电阻R为限流电阻，其作用是限制流入内部电路的干扰电流。

输出保护：

为了确保输出电路安全工作，输出保护电路必须在输出部分传输尽可能小的电流时能够泄放掉大部分电流。

此外，由于输出电路在驱动电流上的要求，在输出部分与输出PAD之间不能有任何形式的隔离电阻。

所以一级的电压钳位输入保护就可作为输出保护。

3、去耦电路

去耦能够防止干扰能量从一个电路传输到另一个电路中，并且能够改变噪声能量的传输路。

其工作原理是去耦电容可以为电路中的元器件提供一个局部的直流源，这样有利于减小干扰电流在电路板上传播瞬态脉冲信号。

图7去耦电容的存在可大大减小电流环路面积