电路ESD防护培训课程.ppt

1,电路ESD防护培训课程 比特实业（香港）有限公司 深圳市比特兴电子科技有限公司,专业 诚信 共赢,2,培训课程大纲,3,电荷积累,快速放电,4,5,ESD原理,静电波形及参数,1. 影响ESD放电能量参数: 峰值电流 上升时间变率 按傅立叶转换(Fourier transform) 可知时间变率蕴含着频率成份: IEC 61000-4-2电流波形上升时间0.7ns , 频宽可达到300MH以上如图: IEC 61000-4-2 之放电电流及频率响应频宽.,6,2: IEC 61000-4-2 放电电流上升时间.,3: IEC 61000-4-2 测试电压与环境条件,ESD原理,7,ESD静电放电的危害,1。静电在工业生产中造成的危害,产品失效（产品不可靠）,客户抱怨,静电放电（ESD）造成的危害： 1、引起电子设备的故障或误动作，造成电磁干扰如： 驱动电路程序被ESD打乱，出现花屏，白屏，声音不正常。 2、击穿集成电路和精密的电子元件，半导体元件或者促使元件老化，降低生产成品率 3、高压静电放电造成电击，危及人身安全 4、在易燃易爆品或粉尘、油雾的生产场所极易引起爆炸和火灾,8,ESD静电放电的危害,ESD 对造成电子组件失效情况 (1) 硬件失效(Hard failure) ESD电弧电压(Spark voltage)窜入半导体内部使绝缘部位损坏.如在P-N接合点短路或开路,内部绝缘的氧化层贯穿(punch-through)-金属氧化处理部位产生熔蚀(melting)等, 这都是属于永久性失效. (如键盘, 或I/O界面的连接器)直接带入ESD突波电流损害电路. 要预防这种直接伤害。 方法： 并联一颗静电抑制器,串联一颗电阻或并联电容在这些电路上就可以限制流经IC的ESD电流.,9,(2) 潜在性失效(Latent failure) 当ESD发生时系统虽暂时受到影响,仍然可继续动作, 但功能会随时间逐渐变差,隔数日或数周后系统出现异常, 最后成为硬件失效. (3) 场强感应失效 (Field induction failure) ESD的高压放电火花跟电流会产生电场辐射效应, 这种宽带的辐射, 经常使临近的电路受干扰而失常, 如Latch-Up, 或暂时性程序错乱,及数据流失等, 严重时更会损伤硬件成为永久行硬件失效.,ESD静电放电的危害,10,FPGA,结构,原理图设计,PCB Layout,电路图设计,驱动,寄存器 （Register）,带同步/异步复位和置位,时钟使能的触发器 （锁存器）,解码,11,ESD防护和实例,1。,结构,把端口的地与金属壳相连接而加大ESD的泄放空间,12,ESD防护和实例,2。,结构,遇到空间缝隙耦合静电问题，可以通过多点连接电容而加大ESD的泄放空间,13,3。,结构,螺丝钉要避免伸入机构内成为天线（方法截断，换小号螺丝，嗍胶螺丝）,ESD防护和实例,14,4。,结构,把端口的地与金属壳相连接而加大ESD的泄放空间,(左)ESD从隙缝窜进内部对PCB的IC放电 (右)机壳内加一道辅助接地保护电路板,ESD防护和实例,15,塑壳内层喷导电漆 屏蔽,5。,结构,敏感线（如电源线，排线等）尽量远离金属位置（地），把电源线与地隔离开,6。,结构,ESD防护和实例,16,谈到系统产品的静电防护设计, 必须从原理图设计开始做ESD的保护. 1.ESD电流直接流经敏感元器件,造成永久性损坏: 如：键盘, 或I/O界面的连接器等。 要防护这种直接伤害，方法： 并联一颗静电抑制器,串联一颗电阻或并联电容在这些电路上就可以限制流经IC的ESD电流. .,ESD电路设计,ESD防护和实例,17,2.ESD电流 流经地回路造成复位,重启，损坏。 假设接地线为低阻抗, 经ESD脉冲电流通过, IC接地的阻抗 容易产生（地电位）跳动 (Ground Bounce), 这种地 的电位弹跳会使IC重置或锁定, IC如被锁定时 非常容易被供应的电源摧毁. 要防止这种地电位跳动。方法： 电源并联一颗静电抑制器,串联一颗电阻或并联电容在这些电路上就可以限制流经IC的ESD电流. Layout扩大地层的完整性,地的屏蔽性,地层的吸收性,ESD电路设计,ESD防护和实例,18,3.电磁场间接耦合: 例:如垂直板与水平板之放电, 使电路造成重置, 对于高阻抗组件曾经有损坏之报告, 这种失效模式与PCB环路面积, 机构屏蔽好坏而定 要防护这种电磁场间接耦合。方法： 可以从机体的结构屏蔽和PCB设计布线着手. Layout扩大地层的完整性,地的屏蔽性,地层的吸收性.,ESD电路设计,ESD防护和实例,19,原理图ESD设计,ESD防护和实例,20,原理图ESD设计,PCB上用箝制电路或突波吸收ESD静电抑制器抑制 瞬间高压,ESD防护和实例,21,PCB布局架构对突波 I/O端抑制电路,原理图ESD设计,ESD防护和实例,22,原理图ESD设计,以低通ESD滤波及突波ESD吸收器方式疏导ESD能量,ESD防护和实例,23,原理图ESD设计,I/O控制信号加ESD静电抑制器保护,ESD防护和实例,24,（RESET）复位电路设计,原理图ESD设计,ESD防护和实例,25,ESD防护和实例,车载DVD芯片7845,26,原理图ESD设计,ESD防护和实例,27,原理图ESD设计,ESD防护和实例,28,原理图ESD设计,ESD防护和实例,29,原理图ESD设计,ESD防护和实例,30,原理图ESD设计,PCB上用IR（遥控）电路或突波吸收ESD静电抑制器抑制 瞬间高压,ESD防护和实例,31,1层4层,ESD防护和实例,PCB Layout防护设计,32,地层,ESD防护和实例,PCB Layout防护设计,33,环绕地 地孔越多越好，并使每层地紧密连合一起,ESD防护和实例,PCB Layout防护设计,34,PCB Layout防护设计,接地不仅涉及产品或系统的电气安全，而且关联着电磁兼容和其测量技术。 良好的接地可以保护设备或系统的正常操作以及人身安全，可以消除各种电磁干扰和雷击，ESD等。 所以接地设计是非常重要的，但也是难度较大的课题。,地线的种类很多，有逻辑地、屏蔽地、保护地、数字信号地、模拟信号地、接机壳体的地、地线的布置、还要注意接地线在各种不同频率下的阻抗等，接地的方式也可分单点接地、多点接地、混合接地和悬浮地等。理想的接地面应为零电位，各接地点之间无电位差。但实际上，任何“地”或接地线都有电阻。,当有电流通过时，就会产生压降，使地线上的电位不为零，两个接地点之间就会存在地电压。当电路多点接地，并有高速信号层(信号线)通过时，就将构成地环路干扰电压。 因此，接地技术十分讲究，如信号接地与电源接地要分开，复杂电路采用多点接地和公共地等。,ESD防护和实例,35,1.低功率PCB布线要点:,提起PCB布线，许多工程技术人员都知道一个传统的经验：正面横向走线、反面纵向走线，横平竖直，既美观又短捷；还有个传统经验是：只要空间允许，走线越粗越好。可以明确地说，这些经验在注重ESD的今天已淘汰。,要使单片机系统有良好的ESD性能，PCB设计十分关键。 一个具有良好,ESD性能的PCB，必须按高频电路来设计?这是反传统的。,单片机系统按高频电路来设计PCB的理由在于：尽管单片机系统大部分电路的工作频率并不高，但是EMI的频率是高的，ESD测试的模拟干扰频率也是高的。要有效抑制EMI，顺利通过ESD测试，PCB的设计必须考虑高频电路的特点。,单片机系统,ESD防护和实例,PCB Layout防护设计,36,（1）要有良好的地线层。良好的地线层处处等电位，不会产生共模电阻偶合，也不会经地线形成环流产生天线效应；良好的地线层能使静电放电以最短的路径进入地线而消失。建立良好的地线层最好的方法是采用多层板，一层专门用作线地层；如果只能用双面板，应当尽量从正面走线，反面用作地线层，不得已才从反面过线。 （2）保持足够的距离。对于可能出现ESD 耦合或幅射的两根线或两组线 要保持足够的距离，如滤波器的输入与输出、光偶的输入与输出、交流电源线与弱信号线等。 （3）长线加低通滤波器。走线尽量短捷，不得已的情况下，长线应当在合理的位置插入C、ESD静电抑制器，RC或LC低通滤波器。 （4）除了电源，地线，能用细线的不要用粗线。因为PCB上的每一根走线既是有用信号的载体，又是接收幅射干扰的干线，走线越长、越粗，天线效应越强。,长线加低通滤波器。,2.高频电路设计的要点：,要有良好的地线层。,保持足够的距离。,ESD防护和实例,PCB Layout防护设计,37,Power ESD Layout技术: 无论是信息技术设备还是无线电电子、电气产品，都要有电源供电。 电源有外电源和内电源之分，电源是典型的也是危害严重的电磁干扰源。如电网的冲击，尖峰电压可高达千伏以上，会给设备或系统带来毁灭性的破坏。 另外，电源线是干扰信号侵入设备的主要途径。因此，电源系统，特别是开关电源的ESD设计，是产品设计的重要环节。其措施多种多样，诸如供电电缆直接从电网总闸引出，电网引出的交流经稳压、低通滤波、电源变压器绕组间的隔离、屏蔽以及浪涌抑制和过压过流保护，ESD静电抑制器等。 采用多层板，专门灌一层Power 层。,ESD防护和实例,PCB Layout防护设计,1.Power PCB Layout ESD要点:,38,Power层,ESD防护和实例,PCB Layout防护设计,39,CPLD,基本可编程逻辑单元,ESD软件设计,FPGA,可编程输入/输出单元,嵌入式块RAM,丰富的布线资源,底层嵌入功能单元,内嵌专用硬核,可编程单元,基本逻辑单元,布线池；布线矩阵,JTAG编程模块,全局时钟；全局使能,全局复位/置位单元,ESD软件防护和实例,40,ESD基本可编程逻辑单元,查找表 （LUT）,寄存器 （Register）,带同步/异步复位和置位,时钟使能的触发器 （锁存器）,软件刷新 纠正,受ESD影响原因：驱动电路程序被ESD打乱 出现花屏，白屏，声音不正常。 解决方案： 改变软件(驱动IC)刷新频率 ，寄存器刷新。,ESD软件防护和实例,41,ESD实验室,42,ESD Suppressor,6. 结语 对于电子产品ESD的防护应从设计着手,所谓“设计中的位置”, 零件的选用,PCB板的设计阶段,到成品系统布线整