電力終端中ESD防護(hù)技術(shù)的研究

杜 君，趙東艷，梁 華，胡啟龍

(1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室，北京 100192; 2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100192)

電力終端中ESD防護(hù)技術(shù)的研究

杜 君1，2，趙東艷1，2，梁 華1，2，胡啟龍1，2

(1.北京智芯微電子科技有限公司 國家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電力芯片設(shè)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)室，北京 100192; 2.北京智芯微電子科技有限公司 北京市電力高可靠性集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，北京 100192)

為了滿足市場的需求，電力終端的功能越來越強(qiáng)大，而接口也越來越復(fù)雜多樣，這些接口極易遭受ESD的干擾，導(dǎo)致電力終端失效甚至損壞。介紹了ESD的產(chǎn)生和危害，以及常用ESD防護(hù)器件的特點(diǎn)，并針對電力終端中存在的ESD問題，依據(jù)各接口的特點(diǎn)，從ESD防護(hù)器件的選型、ESD防護(hù)器件放置位置和PCB的布局布線角度出發(fā)，提出了ESD的解決方案，使電力終端更穩(wěn)定，更可靠。

ESD；電力終端；TVS；PCB設(shè)計(jì)

Abstract: In order to meet the needs of the market, the power terminal is becoming more and more powerful, and the interface becomes more and more complex and diverse. These interfaces are vulnerable to the interference of ESD, which leads to the failure of power terminals and even damage. This paper introduces the origin and harm of ESD, as well as the characteristics of the commonly used ESD protection devices. And aiming at the ESD problems of power in the terminal, according to the characteristics of the interfaces, from the ways of selection of ESD protective device, the place position of ESD protective device and PCB layout, this paper proposes the solution to slove the ESD problem to ensure that the power terminals are stable and reliable.

Key words:electro static discharge; power terminal; transient volttage suppressor; printed circuit board design

0 引言

靜電放電(Electro Static Discharge,ESD)，已成為導(dǎo)致現(xiàn)代電子設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障、信號丟失、誤碼的主要原因之一。人們越來越重視ESD的防護(hù)，以保障電子設(shè)備不受ESD的干擾和破壞。同時(shí)ESD檢測也作為電磁兼容性測試的重要指標(biāo)寫入國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。本文就ESD的產(chǎn)生原因、危害進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)對電力終端的ESD防護(hù)及設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 ESD的產(chǎn)生和危害

ESD是一種自然現(xiàn)象，其產(chǎn)生途徑有兩種：摩擦帶電和感應(yīng)帶電[1]。

(1)摩擦帶電。當(dāng)兩種不同介電系數(shù)的材料相互摩擦?xí)r，就會(huì)產(chǎn)生靜電電荷，其中一種材料上的靜電電荷累計(jì)到一定程度，在與另一物體接觸時(shí)，就會(huì)通過這個(gè)物體到大地的阻抗進(jìn)行放電。

(2)感應(yīng)帶電。感應(yīng)帶電就是帶電荷物體的電場在其相鄰的物體上造成的電荷分離，靠近帶電物體會(huì)出現(xiàn)與該電荷極性相反的感應(yīng)電荷。只要物體帶有電荷，就會(huì)在其周邊產(chǎn)生靜電場，使周圍的物體感應(yīng)帶電。當(dāng)帶電電壓超過它們之間介質(zhì)的擊穿電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生靜電放電。

靜電放電過程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流和磁場。ESD對電路的干擾，一是靜電放電電流直接通過電路造成損害；二是產(chǎn)生的電磁場通過電容耦合、電感耦合或空間輻射耦合等對電路造成干擾。

ESD的破壞機(jī)制主要有兩種：一是由ESD電流產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致的元器件的熱失效；二是由ESD高的電壓導(dǎo)致絕緣擊穿。兩種破壞可能在同一設(shè)備中同時(shí)發(fā)生，例如感應(yīng)電壓導(dǎo)致絕緣擊穿，同時(shí)激發(fā)大的電流，而激發(fā)的大電流又進(jìn)一步導(dǎo)致熱失效。ESD的破壞可能會(huì)對電子設(shè)備造成暫時(shí)失效及永久失效。

2 電力終端電路簡介

隨著科技的發(fā)展，市場對電力終端功能需求也越來越多，這也造成電力終端存在各種各樣的對外接口，而ESD恰恰是通過這些接口影響整個(gè)終端的正常工作，造成重啟、死機(jī)、損壞甚至其他安全問題。電力終端的原理框圖如圖1所示。

圖1 電力終端原理圖框圖

3 電力終端的ESD解決與防護(hù)

解決靜電問題有兩種方法：疏和堵[2]。如果殼體做得足夠密封，空間距離足夠大，靜電的能量強(qiáng)度將大大減弱甚至避免，但是由于電力終端的殼體基本上是固定的，而且空間有限，這就要求只能采用疏的方法，將電荷盡可能地釋放到PCB的地中來解決。

3.1常用ESD防護(hù)器件及特性

ESD防護(hù)器件的作用是轉(zhuǎn)移來自敏感元件的ESD應(yīng)力，使電流流過保護(hù)元件而非敏感元件，同時(shí)維持敏感元件上的低電壓。ESD防護(hù)器件還應(yīng)具有低泄漏和低電容特性，不會(huì)對高速信號造成損害。目前常用的ESD防護(hù)器件有：瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)、壓敏電阻、聚合物、磁珠等。下面將對各種器件的防護(hù)原理和特性做一簡單介紹。

(1)壓敏電阻采用的是物理吸收原理，因此每經(jīng)過ESD事件，材料就會(huì)受到一定的物理損傷，形成無法恢復(fù)的漏電通道。壓敏電阻具有響應(yīng)速度慢(ns級)，通流容量大的特點(diǎn)。

(2)瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)利用半導(dǎo)體的鉗位原理，在經(jīng)受瞬時(shí)高壓時(shí)，會(huì)立即將能量釋放出去。TVS管具有反應(yīng)速度快(ps級)、體積小、鉗位電壓低、可靠性高等特點(diǎn)。

(3)聚合物為消弧器件，并且是雙向保護(hù)器件。聚合物的電容低，適合高速應(yīng)用。但聚合物的高通電壓高，導(dǎo)通阻抗性能較差，遭受多次應(yīng)力時(shí)易于性能下降。

(4)磁珠具有很高的電阻率和磁導(dǎo)率，它等效電阻和電感的串聯(lián)，但電阻值和電感值都隨頻率變化。磁珠專用于抑制信號線、電源線上的高頻干擾和尖峰干擾，對吸收靜電脈沖干擾有一定作用。

3.2電力終端電路設(shè)計(jì)

硬件工程師在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)必須依據(jù)電路的防護(hù)等級、承受的功率、電路的工作速率、電路的工作電壓、防護(hù)路數(shù)來選擇合適ESD防護(hù)器件對電路進(jìn)行防護(hù)[3]。針對電力終端中常用的接口，下面將從原理上介紹如何防護(hù)。

3.2.1電源及充電接口電路

電源及充電接口在使用過程中由于經(jīng)常插拔，極易造成靜電干擾，而使整個(gè)電力終端損壞。

由于電源地是整個(gè)系統(tǒng)的主干地，它的ESD放電電流比較大，要求以承受功率為主， 所以一般選擇大功率的TVS，它對極間電容大小無嚴(yán)格要求。PSD03、PSD05、PSD08、PSD12、PSD15、PSD18、PSD24、PSD36的峰值脈沖功率為500 W，關(guān)斷電壓分別是3.3 V、5 V、8 V、12 V、15 V、18 V、24 V、36 V，用戶可根據(jù)實(shí)際的電壓進(jìn)行選擇。

3.2.2 I/O接口及鍵盤接口電路

由于按鍵在日常的使用中頻繁使用，在與用戶的接觸中極易產(chǎn)生接觸放電。而控制模塊的觸點(diǎn)基本裸露在電力終端的殼體外部，極易發(fā)生接觸放電和空氣放電。按鍵和控制都屬于一般的低速I/O，采用一般的TVS管即可。

RSB6.8B是一路雙向TVS。該器件滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，能夠承受空氣放電15 kV、接觸放電8 kV的要求。其具體工作特性如下：峰值脈沖功率10 W，關(guān)斷電壓4.7 V，擊穿電壓5.7 V，極間電容30 pF。

3.2.3 LCD接口電路

電力終端的LCD多是通過柔性電路或FPC排線與MCU相連的，同時(shí)由于TFT模塊的引入，數(shù)字信號要在更高的頻率上工作，這些連接線會(huì)像天線一樣產(chǎn)生EMI干擾，并極易遭受ESD的干擾。

用于LCD驅(qū)動(dòng)接口的TVS分為4路、6路、8路，具體型號是：EM4D-100L、EM6D-100L和EM8D-100L。它們滿足IEC61000-4-2的標(biāo)準(zhǔn)，能夠承受空氣放電15 kV、接觸放電8 kV的要求。EMI是由RC組成的π型低通濾波器，其截至頻率為150 MHz。這些器件對于濾除電磁干擾和ESD泄放有一定作用，保證了LCD的并行數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

3.2.4 RS485接口電路

RS485總線標(biāo)準(zhǔn)是電力系統(tǒng)中使用最廣泛的物理層總線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一。RS485的數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一總線上。在實(shí)際使用中，雷擊、電源波動(dòng)、靜電放電會(huì)產(chǎn)生較大瞬變電壓，造成接口芯片損壞。

PSM712是一款適合RS485總線的ESD防護(hù)器件。該器件滿足IEC61000-4-2的標(biāo)準(zhǔn)，能夠承受空氣放電15 kV、接觸放電8 kV的要求。其具體工作特性如下：峰值脈沖功率600 W，耐壓-7 V～+12 V，極間電容75 pF。其原理圖如圖2所示。

圖2 RS485原理圖

3.2.5 RS232接口電路

圖3 USB原理圖

RS232口在電力終端中作為調(diào)試接口、通信口和監(jiān)控口，傳輸距離不超過15 m，傳輸速率最高可達(dá)115 200 b/s。調(diào)試用接口使用比較頻繁，經(jīng)常帶電插拔，極易遭受ESD的干擾，造成接口芯片損壞。

ESD24VS2U是一款適合RS232接口的ESD防護(hù)芯片，能夠提供單向兩路數(shù)據(jù)線或者雙向一路數(shù)據(jù)線防護(hù)。該器件滿足IEC61000-4-2的標(biāo)準(zhǔn)，能夠承受空氣放電30 kV、接觸30 kV的要求。其具體工作特性如下：峰值脈沖功率230 W，關(guān)斷電壓26 V，極間電容24 pF。

3.2.6 USB2.0接口電路

USB接口是熱插拔系統(tǒng)，在用戶插拔USB外設(shè)時(shí)極易產(chǎn)生ESD干擾，造成電力終端的損壞。USB2.0接口具有高達(dá)480 Mb/s的傳輸速率，這就要求ESD防護(hù)器件應(yīng)具有極低電容、快速動(dòng)作響應(yīng)、低泄漏電流、小封裝的重要特性。

PLR0502是一款適合USB2.0接口的ESD防護(hù)器件，單橋式的設(shè)計(jì)，能夠有效地保護(hù)兩路數(shù)據(jù)線及電源。該器件滿足IEC61000-4-2的標(biāo)準(zhǔn)，能夠承受空氣放電15 kV、接觸放電8 kV的要求。其具體工作特性如下：峰值脈沖功率200 W，關(guān)斷電壓5 V，擊穿電壓6 V，漏電流5 μA，極間電容6.0 pF。其原理圖如圖3所示。

3.2.7以太網(wǎng)接口

以太網(wǎng)端口是熱插拔系統(tǒng)，極易受到由用戶或空氣放電造成的ESD影響。靜電可以損害以太網(wǎng)集成電路及周邊的IC，進(jìn)而造成電力終端設(shè)備的損壞。以太網(wǎng)的通信速率通常為10 Mb/s/100 Mb/s，甚至可以達(dá)到1 000 Mb/s，其接口由兩組差分信號組成，這就要求ESD防護(hù)器件應(yīng)具有極低電容、快速動(dòng)作響應(yīng)、低泄漏電流、小封裝的重要特性。

SRV05-4是一款適合以太網(wǎng)接口的ESD防護(hù)器件，雙橋式設(shè)計(jì)及雪崩二極管可以保護(hù)4條數(shù)據(jù)線和電源。該器件滿足IEC61000-4-2的標(biāo)準(zhǔn)，能夠承受空氣放電15 kV、接觸放電8 kV的要求。其具體工作特性如下：峰值脈沖功率500W，關(guān)斷電壓5 V，擊穿電壓6 V，漏電流5 μA，極間電容3.5 pF。

3.2.8 SD卡接口電路

SD卡接口電路是高速數(shù)字電路，其傳輸速率最大可達(dá)到48 Mb/s，SD卡通過九針的接口界面與專門的驅(qū)動(dòng)器連接，極易受到由用戶接觸和空氣的ESD干擾的影響，破壞數(shù)據(jù)通信的完整性，甚至損壞驅(qū)動(dòng)IC。因此必須在接口界面處施加ESD防護(hù)，保證不受ESD干擾。

SRV05-4非常適合SD卡接口ESD防護(hù)。其原理圖如圖4所示。

3.3電力終端的PCB設(shè)計(jì)

ESD的抑制并不是簡單地在各端口處增加TVS,給ESD提供一個(gè)所謂理想的泄放通路就能解決的，還涉及TVS的放置位置選擇、PCB的布局和布線等問題[4]。

3.3.1 TVS放置位置的選擇

由于ESD是個(gè)高速瞬間浪涌，會(huì)在傳輸線路上造成寄生電感因素，這就要求將TVS器件盡可能地放置在各端口的入口處，使TVS器件盡量接近噪聲源，確保浪涌電壓可以在脈沖耦合到鄰近PCB導(dǎo)線之前被鉗位，避免這個(gè)寄生電感因素。同時(shí)還應(yīng)盡可能地減小TVS器件和被保護(hù)的數(shù)據(jù)線活信號線之間距離，用較短的TVS導(dǎo)線連接，將ESD的浪涌導(dǎo)到地線層，保證數(shù)據(jù)線或信號線系統(tǒng)的干凈傳輸。

3.3.2 PCB板的布局和布線

ESD與PCB的設(shè)計(jì)有著密切的聯(lián)系，建立良好的接地體系是保證電路穩(wěn)定和ESD抑制可能性的條件，而合理的PCB布局布線將減少ESD干擾的可能性[5]，下面將簡單介紹PCB設(shè)計(jì)中的一些規(guī)則和常識。

圖4 SD卡原理圖

(1)采用多層板的PCB設(shè)計(jì)，保證信號有完整的電平面作為參考平面回流。

(2)PCB的布線與板邊之間保持0.3 mm以上的間距。

(3)PCB的板邊最好用地線包圍。

(4)信號線與GND之間的間距保持在0.2 mm以上，關(guān)鍵信號線如Reset、clock等信號保持在0.3 mm以上。

(5)保持各地層之間具有良好的連通性，盡可能地在空閑處多打過孔。

(6)鋪銅時(shí)盡量避免尖角，有尖角應(yīng)盡量使其平滑。

4 結(jié)論

ESD是造成電子產(chǎn)品損害的重要原因之一，只要從設(shè)計(jì)之初重視起來，從殼體、電路上進(jìn)行防護(hù)，是完全可以避免的，進(jìn)而可保證電力終端穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

[1] 尹令,張麗霞,夏玥.基于移動(dòng)通訊終端的ESD問題研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2005,31(10):59-61.

[2] 呂曉德，白同云. 電磁兼容設(shè)計(jì)[M]. 北京：郵電大學(xué)出版社，2001.

[3] 周旭. 電子設(shè)備防干擾原理與技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[4] MONTROSE M.電磁兼容和印刷電路板理論、設(shè)計(jì)和布線[M].劉源安，譯.北京：人民郵電出版社，2002.

[5] 楊錦麗.電子通信產(chǎn)品的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].電腦知識與技術(shù)(學(xué)術(shù)交流)，2015,11(3):242-243.

Research on protection technology of ESD in power terminal

Du Jun1，2, Zhao Dongyan1，2, Liang Hua1，2, Hu Qilong1，2

(1. State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-ChipMicroelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192, China; 2. Beijing Engineering Research Center of High-reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co., Ltd., Beijing 100192,China)

V351.31;TM7

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.012

杜君，趙東艷，梁華，等.電力終端中ESD防護(hù)技術(shù)的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(18)：39-42.

2017-03-22)

杜君(1982-)，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向：智能終端和儀表。

趙東艷(1970-)，女，碩士研究生，教授級高級工程師，主要研究方向：信號處理與專用集成電路設(shè)計(jì)。

梁華(1981-)，男，本科，工程師，主要研究方向：智能終端和儀表。