ESD防护电路（周立功）.doc

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.45M 资料格式：doc 举报版权申诉

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第1章 NXP ESD基础篇

1.1什么是ESD

1.2ESD对电子设备造成的破坏

1.3快用NXP的ESD保护器件保护您的产品

1.4用变阻器和ESD保护器件来保护静电高压脉冲的区别

1.5NXP ESD保护器件的特性

1.6国际ESD标准

1.7ESD参数名词解释

1.7.1VC箝位电压

1.7.2VRWM 反向关断电压

1.7.3PPP 峰值脉冲功率

1.8选择ESD保护器件的方法

1.9NXP ESD保护器件的分类及原理

1.9.1PESD系列

1.9.2PRTR系列

1.9.3IP系列

1.9.4小结

1.10NXP ESD器件的命名规则

1.11ESD器件交叉参照选型表

第2章NXP ESD器件应用篇

2.1ESD器件的保护通道

2.2针对各种应用场合的应用示例

2.2.1USB2.0的保护（PRTR5V0U4D用于双路USB）

2.2.2SD卡的保护

2.2.3MMC多媒体卡的保护

2.2.4DVI/HDMI的保护

2.2.5独立Audio/Video的保护

2.2.6S-Video/Audio的保护

2.2.7SCART接头的保护

2.2.8IP芯片在SIM卡保护中的应用

2.2.9IP芯片在SD /MMC多媒体卡保护中的应用

2.2.10汽车CAN和LIN总线的保护

第3章PESD系列选型指南

3.1ESD保护——极低容抗<25pf

3.2ESD保护——标准容抗

3.3轨到轨ESD保护——极低容抗<5pF

3.4EMI滤波器和ESD保护

3.5电平变换、缓冲器和带完整的ESD保护的EMI滤波器

第4章 NXP ESD方案介绍

A.1版本信息

AN070216 ESD 防静电设计 Rev 1.0 Date: 2008/10/20 APPLICATION NOTE 产品应用手册类别关键词摘要文件信息内容 NXP ESD 器件、PESD 系列、PRTR 系列、IP 系列本文首先分析了 ESD 器件的原理，然后叙述了如何选型，最后给出了大量 ESD 保护器件的应用方案。 http://www.zlgmcu.com 广州周立功单片机发展有限公司

广州周立功单片机发展有限公司 AN070216 技术支持如果您对文档有所疑问，您可以在办公时间（星期一至星期五上午 8:30~11:50；下午 1:30~5:30；星期六上午 8:30~11:50）拨打技术支持电话或 E-mail 联系。址： www.zlgmcu.com 网联系电话： +86 (020) 22644358 E-mail： zlgmcu.support@zlgmcu.com 22644359 22644360 22644361 销售与服务网络广州周立功单片机发展有限公司地址：广州市天河北路 689 号光大银行大厦 12 楼 F4 邮编：510630 电话：(020)38730972 38730976 38730916 38730917 38730977 传真：(020)38730925 网址：http://www.zlgmcu.com 广州专卖店地址：广州市天河区新赛格电子城 203-204 室电话：(020)87578634 87569917 传真：(020)87578842 南京周立功地址：南京市珠江路 280 号珠江大厦 2006 室电话：(025)83613221 83613271 83603500 传真：(025)83613271 北京周立功地址：北京市海淀区知春路 113 号银网中心 A 座 1207-1208 室（中发电子市场斜对面）电话：(010)62536178 62536179 82628073 传真：(010)82614433 重庆周立功地址：重庆市石桥铺科园一路二号大西洋国际大厦（赛格电子市场）1611 室电话：(023)68796438 68796439 传真：(023)68796439 杭州周立功地址：杭州市天目山路 217 号杭州电子科技大楼 502 室电话：(0571) 28139611 28139612 28139613 传真：(0571) 28139621 成都周立功地址：成都市一环路南二段1 号数码同人港401 室（磨子桥立交西北角）电话：(028) 85439836 85437446 传真：(028)85437896 深圳周立功地址：深圳市深南中路 2070 号电子科技大厦 C 座 4 楼 D 室电话：(0755)83781788（5 线）传真：(0755)83793285 武汉周立功地址：武汉市洪山区广埠屯珞瑜路158 号12128 室（华中电脑数码市场）电话：(027)87168497 87168297 87168397 传真：(027)87163755 上海周立功地址：上海市北京东路 668 号科技京城东座 7E 室电话：(021)53083452 53083453 53083496 传真：(021)53083491 西安办事处地址：西安市长安北路 54 号太平洋大厦 1201 室电话：(029)87881296 83063000 87881295 传真：(029)87880865 ESD 防静电设计 Date: 2008/10/20 Rev. 1.0 Guangzhou ZLGMCU Development Co., Ltd. ii

广州周立功单片机发展有限公司 AN070216 目录 1.7.1 1.7.2 1.7.3 1.9.1 1.9.2 1.9.3 1.9.4 第 1 章 NXP ESD 基础篇............................................................................................1 1.1 什么是 ESD ....................................................................................................................1 1.2 ESD 对电子设备造成的破坏....................................................................................... 1 1.3 快用 NXP 的 ESD 保护器件保护您的产品 ................................................................ 2 1.4 用变阻器和 ESD 保护器件来保护静电高压脉冲的区别 ..........................................4 1.5 NXP ESD 保护器件的特性 .......................................................................................... 5 1.6 国际 ESD 标准 ...............................................................................................................5 ESD 参数名词解释....................................................................................................... 5 1.7 VC 箝位电压 .......................................................................................................5 VRWM 反向关断电压 ......................................................................................... 6 PPP 峰值脉冲功率 .............................................................................................6 1.8 选择 ESD 保护器件的方法 .......................................................................................... 7 NXP ESD 保护器件的分类及原理 .............................................................................. 8 1.9 PESD 系列 ......................................................................................................... 8 PRTR 系列 ......................................................................................................... 9 IP 系列..............................................................................................................11 小结 .................................................................................................................. 12 1.10 NXP ESD 器件的命名规则 ........................................................................................ 12 1.11 ESD 器件交叉参照选型表......................................................................................... 13 第 2 章 NXP ESD 器件应用篇..................................................................................14 2.1 ESD 器件的保护通道................................................................................................. 14 2.2 针对各种应用场合的应用示例 ..................................................................................15 USB2.0 的保护（PRTR5V0U4D 用于双路 USB）..................................... 15 2.2.1 SD 卡的保护 ....................................................................................................15 2.2.2 MMC 多媒体卡的保护...................................................................................16 2.2.3 DVI/HDMI 的保护..........................................................................................16 2.2.4 独立 Audio/Video 的保护............................................................................... 17 2.2.5 S-Video/Audio 的保护 .....................................................................................17 2.2.6 SCART 接头的保护 ........................................................................................ 17 2.2.7 IP 芯片在 SIM 卡保护中的应用 ....................................................................18 2.2.8 2.2.9 IP 芯片在 SD /MMC 多媒体卡保护中的应用 ..............................................18 2.2.10 汽车 CAN 和 LIN 总线的保护 .......................................................................19 第 3 章 PESD 系列选型指南.....................................................................................20 ESD 保护——极低容抗<25pf....................................................................................20 3.1 3.2 ESD 保护——标准容抗............................................................................................. 21 3.3 轨到轨 ESD 保护——极低容抗<5pF........................................................................22 3.4 EMI 滤波器和 ESD 保护 ............................................................................................23 3.5 电平变换、缓冲器和带完整的 ESD 保护的 EMI 滤波器 .......................................25 第 4 章 NXP ESD 方案介绍......................................................................................26 A.1 版本信息 ...................................................................................................................... 28 A.2 版权声明 ...................................................................................................................... 28 ESD 防静电设计 Date: 2008/10/20 Rev. 1.0 Guangzhou ZLGMCU Development Co., Ltd. iii

广州周立功单片机发展有限公司 AN070216 第 1 章 NXP ESD基础篇 1.1 什么是 ESD ESD（ElectroStatic Discharge）即“静电放电”，是研究静电的产生与衰减、静电放电模型、静电放电效应（如电流热效应（电火花）和电磁效应（电磁干扰 EMI 及电磁兼容性 EMC））的学科。物质之间相互作用（如摩擦、接触、感应、传导）而引起的物质获得或失去电子，失去电平衡而带电荷，电荷的积累就使得物质表面带上静电，当电荷积累到足够的强度时，电荷将可能泄放，造成其周围的物质被击穿，从而得到新的电平衡。这种静电电荷的快速中和称为静电放电，由于其速率很快，而且在放电时的电阻一般很小，往往会造成瞬时大电流，可能超过 20 安培。这种放电如果经过集成电路，这么大的电流往往会对电路造成损害。 ESD 有多种模型来描述器件如何受到损害：人体模式（HBM），器件带电模式（CDM），场感应模式等等。下图为 ESD 放电模型图。 1.2 ESD 对电子设备造成的破坏图 1.1 ESD 放电模型图 ESD 在电子设备中时有发生，在静电放电过程中，将产生潜在的破坏电压、电流和电磁场。ESD 产生强大的尖峰脉冲电流，包含丰富的高频成分，其最高频率甚至可能超过 1GHz。这些高频脉冲使得 PCB 板上的走线变成非常有效的接收天线，使得感应出高电平的噪声。 ESD 对电路的干扰一是静电放电电流直接通过电路造成损害，另一是产生的电磁场通过电容耦合、电感耦合或空间辐射耦合等对电路造成干扰。 ESD 电流产生的场可直接穿透设备，或通过孔洞、缝隙、输入输出电缆等耦合到敏感电路。ESD 电流在系统中流动时，激发路径中所经过的天线，导致产生波长从几厘米到数百米的辐射波，这些辐射能量产生的电磁噪声将损坏电子设备或骚扰它们的运行。若 ESD 感应的电压或电流超过电路的电平信号，在高阻抗电路中，电流很小，此时电容耦合占主导，ESD 感应电压将影响电路电平信号；在低阻电路中，电感耦合占主导，ESD 电流将导致器件失效。 ESD 的两种主要破坏机制是： ① 由于 ESD 电流产生的热量导致器件的热失效； ② 由于 ESD 高的电压导致绝缘击穿，造成激发更大的电流，造成进一步的热失效。 ESD 失效可以分为永久失效及暂时失效。如果在静电接触传导放电时产生的电压过高电流过大，有可能会造成器件永久性损坏，如冬天用手接触电路，造成设备损坏而不能继续使用。而在有些情况下，一些较小的电路噪声，导致偶尔出现异常结果，但过后设备并未损坏，这种情况可称为 ESD 暂时失效。下图为因 ESD 损坏的电路板及芯片。 ESD 防静电设计 Date: 2008/10/20 Rev. 1.0 Guangzhou ZLGMCU Development Co., Ltd. 1

广州周立功单片机发展有限公司 AN070216 图 1.2 ESD 对电路板及芯片造成的损坏 1.3 快用 NXP 的 ESD 保护器件保护您的产品许多公司和许多开发人员都遇到过这样的情况：在实验室开发好的产品，测试完全通过，但到了客户手里用了一段时间之后，出现异常现象，甚至是产品失效需要返修，并且故障率往往也不高（1%以下）。但客户还是会抱怨说产品不可靠，对产品的信任度下降。工程师们一般是出现问题之后要绞尽脑汁去分析问题，寻找故障原因，但因为不容易重现故障现象而很难找到确定的原因。所以经常抱怨是所使用器件的品质问题，但是更换器件也未必能最终解决。一般来说选择优质的器件是可以降低故障率。但是如果在设计阶段没有认真思考对电路进行必要的保护，采用必要的措施来应对未来复杂的应用环境，类似故障还是可能发生，光选择器件而不加保护是无法从根本上解决问题。只有从思想上对“保护”重视起来，才能真正提高我们产品的品质。许多工程师要么怕麻烦要么想节省成本，对保护器件能不用就不用，造成了外国人对中国产品的整体看法是“质次价廉”。当我们发展到今天，产品都面临更残酷的竞争，要想从市场中脱颖而出，光在功能上下功夫恐怕不够，必须要在性能上下大力气才能长久占领市场高地，甚至从国际市场分得一杯羹。当我国的工程师们都在设计阶段就开始重视“保护”，增加电路“保护器件”，当我国的老板们不再计较多花一点点成本，而不省略“保护器件”，我国的电子产品将可以和欧美传统列强们媲美了，外国人将看到“质优价廉”的中国产品大行其道。随着“优质”设计经验的积累，我国产品在性能上不断提高，总有一天，我们将超过他们的水平。下图为国际上对保护器件市场情况的一个统计，可以看出保护器件在电子产品中扮演越来越重要的角色。图 1.3 ESD 保护器件的发展趋势 ESD 防静电设计 Date: 2008/10/20 Rev. 1.0 Guangzhou ZLGMCU Development Co., Ltd. 2

广州周立功单片机发展有限公司 AN070216 NXP 的 ESD 器件是保护器件中的一种，主要是针对静电放电时保护集成电路而设计。全球每年有 30%的电子产品的损坏是因为 ESD 的缘故，这些看不见摸不着的静电给广大用户造成了不少的损失。NXP ESD 保护器件可以有效降低静电对电子产品的损坏，为生产者和消费者的利益提供一层可靠的保护。下图演示人体静电对芯片的损坏。图 1.4 人体静电放电现象有人可能说，电路保护我有很多种办法，为什么一定要用 ESD 保护器件呢？下面来进行一下对比，您就明白了（如表 1.1 所示）。 1. 普通二极管，只能起到箝制电压的作用，不能响应高达几百兆频率的 ESD 脉冲。 2. 压敏电阻/热敏电阻/PTC，压敏电阻抗一次 ESD 脉冲后特性就会改变，而 ESD 保护器件抗几万次也不会改变特性。 3. 很多芯片带有 ESD 保护,但耐压一般不很高,只是对芯片内部起到基本保护，面对外界动辄 10KV/25KV 的 ESD 脉冲，就力不从心了。 4. TVS，TVS 和 ESD 都可以用在芯片的 I/O 口保护上，有些 TVS 也带 ESD 保护功能，但是这两者之间还是有区别的。表 1.1 ESD 保护器件与 TVS 管的区别 ESD 小 >10KV 更高极快极高速极低极低多个抑制静电放电（ESD）脉冲 TVS 大 >4KV 稍慢中高速一般高少量抗击能量抗击电压响应时间抑制脉冲对线路的容性影响对高速通信的影响线路中可使用数量应用场合用于防雷击或开关电时产生的浪涌注：现在某些公司所出的 TVS 和 ESD 功能合一的器件，既要满足 TVS 的要求，难免在响应速度，容性影响等方面做出些牺牲。 ESD 防静电设计 Date: 2008/10/20 Rev. 1.0 Guangzhou ZLGMCU Development Co., Ltd. 3

广州周立功单片机发展有限公司 AN070216 1.4 用变阻器和 ESD 保护器件来保护静电高压脉冲的区别一般情况下，变阻器对 ESD 脉冲及干扰信号的反映较慢，而且对干扰信号电压的抑制能力较差。从下图可以看出，ESD 保护器件能真正地、很快地过滤掉有危害的高压脉冲。变阻器 ESD 保护器件图 1.5 变阻器与 ESD 保护器件的滤波效果变阻器由于内部的阻容特性，当信号脉冲通过变阻器后，信号的 I-V 曲线明显变化，如下图所示。信号通过变阻器之前信号通过变阻器之后图 1.6 脉冲信号通过变阻器的 I-V 曲线变化而 ESD 保护器件打过 ESD 后不会改变特性，如下图所示，脉冲信号经过 ESD 器件之后，信号的 I-V 曲线没有改变。所以原本用变阻器来作 ESD 保护的，应该用专用的 ESD 保护器件来替换。信号通过 ESD 器件之前信号通过 ESD 器件之后图 1.7 脉冲信号通过变阻器的 I-V 曲线变化 ESD 防静电设计 Date: 2008/10/20 Rev. 1.0 Guangzhou ZLGMCU Development Co., Ltd. 4

广州周立功单片机发展有限公司 1.5 NXP ESD 保护器件的特性 AN070216 NXP 的 ESD 保护器件具有如下优秀特性。  非常低的箝位电压；  非常出色的 ESD 防护能力，高达 30KV；  完全符合 IEC61000-4-2，Level 4 标准和 HBM MIL-Std 883，class 3 认证；  非常低的结电容，低至 1pF；  超低的漏电流，远小于 1μA；  快速的响应时间，远小于 1ns；  无铅超小封装。 1.6 国际 ESD 标准国际和国内 ESD 标准有很多，ESD 芯片一般参考一下几个标准。  IEC61000-4-2（ESD 静电放电）  HBM MIL-Std.883（ESD 静电放电）  IEC61000-4-4（EFT 快速瞬变脉冲群）  IEC61000-4-5（浪涌抗扰度） 1.7 ESD 参数名词解释 ESD 器件应用时需要注意几个关键参数，如下表所示。符号 VC VRWM IR@VRWM PPP 中文名称箝位电压反向关断电压反向漏电流峰值脉冲功率 CD 结电容 1.7.1 VC 箝位电压表 1.2 ESD 器件关键参数表解释脉冲电压通过 ESD 器件后，所达到的电压值应大于或等于被保护线路的操作电压应小于电路允许的最大漏电流保护器件能吸收瞬时脉冲的能量，典型值取自 300W 8/20μs 脉冲是保护器件的寄生电容，数据率或操作频率越高的线路上使用的 ESD 保护器件的结电容要越低，否则将破坏数据信号。 VC 箝位电压指脉冲电压通过 ESD 保护器件后，所被箝位的电压。如 12V 的脉冲信号，经过 PESD5V0L2BT 箝位后，电压降为 5V。图 1.8 VC 箝位电压示意图 ESD 防静电设计 Date: 2008/10/20 Rev. 1.0 Guangzhou ZLGMCU Development Co., Ltd. 5

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