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1、26人体静电放电ESD及保护电路的设计精 邮局订阅号:82-946360元/年技术创新电子设计PLC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注人体静电放电(ESD及保护电路的设计Hum an Body Electro -Static Discharge and The Protection Circuit Design(1.河北科技大学;2.河北理工大学薛同泽1沙占友1崔博2XUE TONGZE SHA ZHANYOU CUI BO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

2、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:BAbstract:With the broad application of the integrated circuit and the electronic device,more attention is paid to the damage of the Electro-Static Discharge (ESD.Firstly the paper introduced the model and the measure methods of the human body ESD.Then the pri

3、nciple and the application of several new type ESD protection ICs are expatiated.Key words:ESD ,Model ,Measure ,ESD Protection ICs文章编号:1008-0570(200705-2-0303-021引言“静电放电”简称ESD (Electro-Static Discharge。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

4、。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

5、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CM OS 电路和M OS 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 ,Human Body M odel,机器模型(M M ,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

6、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1.5k 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,R C 为充电时的限流电阻,R D 为人体电阻,C S 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S 1,断开S 2,由直流高压源经过R C 对C S 进行充电;然后断开S 1,闭合S 2,C S 就经过R D 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I P 代表峰值放电电流,t 1

7、表示I P 从0上升到90%所需时间,t 2为I P 从90%升至100%所需时间,t 3为I P 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SOC 2007年第23卷第5-2期360元/年邮局订阅号:82-946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M AXIM 公司生产的DS9502、DS9503。DS9502内部可等效于7.5V 的

8、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5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

9、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。R 1、R 2分别为正极、负极的5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U C A 7.47.8V 。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M AX3207E 、M AX3208E 、M AX3205E 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

10、抑制器(TVS构成的15kV ESD 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M AX3205E/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 。M AX

11、3207E 属于双通道器件,适用于USB1.1(传输速率为12M bps、USB2.0(传输速率为480M bps。M AX3208E 为四通道器件,适用于以太网的保护。M AX3205E 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0.95.5V ,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M AX3208E 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

12、,可将ESD 电流脉冲引到电源端(U C C 或地(GND。瞬态电压抑制器起到钳位作用。钳位电压(U C 与保护二极管的导通压降(U F 、负极上出现的电源电压有关。对于正ESD 脉冲,U C =U C C +U F ;对于负ESD 脉冲,U C =-U F 。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U C C 端与地之间接一只等效串联电阻(ESR很低的0.1F 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

13、”(information Button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(P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P 的I/O 接口。4.2M AX3208E 的典型应用M AX3208E 的典型应用电路如图7所示。M AX3208E 就并联在被保护电路的I/O 口线与地之间。(下转第309页304- 邮局

14、订阅号:82-946360元/年技术创新电子设计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:DSTATCOM 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;DSTATCOM 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;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

15、: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1P.S.Sensarma,K.R.Padiyar,V.Ramanarayanan.Analysis andperformance evaluation of a distribution STATCOM for compen

16、sa-tion voltage fluctuationsJ,IEEE Trans.On Power delivery,2001,16(2:259-2642唐开富,郭敏,孟文博一种新的电力谐波检测法J微计算机信息2004,63张敏,罗安,何早红.包含静止无功发生器的电力系统吸引域J,中国电机工程学报,2003,23(6:25-284栗春,姜齐荣,王仲鸿.STATCOM 电压控制系统性能分析J,中国电机工程学报,2000,20(8:46-505喻谋,何宇,彭志炜.STATCOM 非线性控制及节点电压稳定研究J,贵州工业大学学报(自然科学版,2003,32(6:24-286王仲鸿,王强,张东霞等.电

17、力系统暂态稳定问题和迭代学习控制的研究J,电力系统自动化,1999,23(8:6-107袁佳歆,陈柏超,万黎等.利用配电网静止无功补偿器改善电网电能质量的方法J,电网技术,2004,28(19:81-848朱永强,宋强,刘文华等.用于不平衡负荷补偿的大容量D-STATCOM 主电路选择J,电力系统自动化,2005,29(7:58-649同向前,王超,钟彦儒.基于SPWM-VSI 结构的DSTATCOM 的实验研究J,电工电能新技术,2004,23(3:31-3410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

18、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(Department of Electrical and Information Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422400Hunan ProvinceWang Yueqiu ,Tang Jie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

19、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;C 1和C 2应尽量靠近U C C 端。图7M AX3208E 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M AXIM 公司生产的几种新型ESD 保护器件:DS9502、DS9503;M AX3207E 、M AX3208E 、M AX3205E 的原理,并给出了它们的典型应

20、用电路。参考文献1MAXIM Inc.Dual,Quad,and Hex High -Speed Differential ESD-Protection ICs,2005:1-72陈曦,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,2005,19:136-1383沙占友,马洪涛,睢丙东.单片开关电源保护电路的设计,电工技术,2000(124沙占友.单片机外围电路设计,电子工业出版社,2003.1:220-2225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:2226作者简介:薛同泽(1950-,女,汉族,河北廊坊人,河北科技

21、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,Langfang City Hebei Province,Hebei University of Science and Technology ,associate Professor,Master Research area:electronics.Sha Zhanyou (1944-,Male,Shijiazhuang City Hebei Province,Hebei Univer

22、-sity of Science and Technology ,Professor,Master Research area:intelligent apparatus and measurement technology.(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(College of Information Science and Engineering,Hebei Uni-versity of Science and Technology,Shijiazhuang 050054Xue Tongze Sha Zhanyou(College of Information,Hebei Polytechnic University,Tang-shan 063009Cui Bo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:2007.4.25309-