ESD静电放电防护和ESD保护器件 

分享 收藏 已有 282 次阅读  2018-04-08 14:26

日常生活中,ESD (Electro-Static Discharge,静电放电)对于我们来说是一种常见的现象,然而对电子产品而言,ESD往往是致命的——它可能导致元器件内部线路受损,直接影响产品的正常使用寿命,甚至造成产品的损坏。因此,ESD防护一直以来都是工程师们的工作重点。对于刚开始职业生涯的电子工程师而言,在掌握专业技能之前通常都要接受一些ESD相关知识的培训,足见ESD防护的地位与重要性。


一般,ESD保护一般通过两种途径来实现,第一种方法是避免ESD的发生;第二种方法则是通过片内或片外集成内部保护电路或专用ESD保护器件,从而避免ESD发生后将被保护器件损坏。


避免ESD的发生

避免ESD发生的方法多出现于产品交付客户以前,即研发、生产等过程。因为在这些阶段,IC、电路板等静电敏感器件可能裸露在外(如生产工过程中的SMT制程),IC因ESD而损坏的可能远大于有外壳保护的成品。


ESD保护器件与保护电路

虽然上述避免ESD发生的方法有着很理想的效果,不过对于终端用户显然不太适合——举例来说,我们不可能在使用手机之前先戴上静电手环,通话结束后将手机放到静电袋中以避免ESD。事实上,由于用户鲜有机会接触到产品内部的元器件及电路板,因此也不需要如此严格的ESD防护措施,但这并不意味着ESD的问题不存在——首先,ESD可以输入/输出连接器(如USB接口、充电器接口、SIM卡插槽等)为路径进入电路中的各种元件;其次,随着电子产品,特别是消费电子产品向着轻薄化发展,导致内部IC的外形尺寸不断减小,其自身ESD防护能力亦不断减弱。所以,工程师在设计时通常加入ESD保护器件,而很多IC内部也有片上ESD保护电路。


相信所有人都希望ESD防护能完全地集成到IC芯片内部,因为这样会节省的板级空间,减少系统成本并降低设计与布线的复杂度。但从目前情况来看,前景并不乐观。如今,IC制程工艺的进步成了片上ESD保护的一大难题。一方面,工艺的进步虽提升IC的性能与集成度并降低功耗与尺寸,但由于栅极氧化层厚度越来越薄,IC自身的ESD防护能力反而降低。另一方面,随着IC尺寸的不断减小,由于受到空间的限制,因此保护能力有限。


ESD保护器件

由于片上ESD保护电路能力有限,为保证整个系统有较好的ESD防护能力,外部ESD保护器件是必不可少的。今天介绍一种常见的保护器件MLV(Multi-Layer Varistor,多层变阻器)。

MLV是一种基于ZnO压敏陶瓷材料,采用特殊的制造和处理工艺而制得的高性能电路保护元件,其伏安特性符合I=kVa,MLV的工作原理是利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。目前,MLV在很多领域得到了广泛的应用,如手机、机顶盒、复印机等等。


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