Защита микросхем от ESD и перенапряжений

23/06/2011 - 13:19

Введение

   Выводы интегральных микросхем, предназначенные для подключения к внешним цепям или периферийным устройствам, подвержены риску воздействия электростатических разрядов.  
   Электростатический разряд (electrostatic discharge - ESD) представляет собой передачу энергии между двумя телами с разными электростатическими потенциалами. Он может происходить как в результате прямого контакта, так и в результате пробоя атмосферы между телами. 
   Разряд вызывает протекание импульса тока через внутренние цепи микросхемы и может приводить к ее частичному или полному повреждению. 
   Для защиты микросхем от электростатического разряда применяют дополнительные электронные компоненты – резисторы, диоды, стабилитроны, TVS диоды или супрессоры, буферные микросхемы. Данная статья представляет собой краткий обзор этих компонентов и схем на их основе. 

Последовательный резистор

   Самая простая схема защиты от электростатического электричества представляет собой резистор, включенный между источником заряда и выводом интегральной микросхемы. 
   Последовательное сопротивление вместе с паразитной емкостью входа микросхемы (а также емкостью монтажа) образует низкочастотный пассивный фильтр. Этот фильтр будет подавлять высокочастотную составляющую электростатического разряда, в которой сосредоточена большая часть его энергии. Кроме того резистор будет ограничивать  ток,  протекающий через внутренние защитные цепи микросхемы вследствие разряда.
 
R1 – защитный резистор 50 – 200 Ом; D1, D2 – внутренние защитные диоды;  C1 – паразитная емкость входа ~ 5 – 10 пФ
 
   Чем выше значение сопротивления защитного резистора, тем лучшую защиту от ESD он будет обеспечивать. Естественно с ростом сопротивления резистора частота среза НЧ фильтра на входе микросхемы будет уменьшаться. Это нужно учитывать, если данный вход используется для ввода высокочастотного сигнала. 

Ограничитель на диодах

   
   Многие интегральные микросхемы имеют встроенные защитные диоды.  Как правило, эти диоды не рассчитаны на большие значения тока и имеют недостаточное быстродействие. Например, встроенные защитные диоды микроконтроллеров AVR выдерживают ток всего лишь в единицы миллиампер. 
   Перед тем как принять решение, требуется ли дополнительная схема защиты или можно ограничиться встроенной,  внимательно изучите спецификацию на микросхему. Хотя данных на диоды  или выдерживаемое напряжение разряда в спецификации может и не быть. 
   Схема на диодах будет ограничивать входное напряжение в пределах от – Vd до Vcc + Vd, где Vd – падение напряжения на диоде в прямом направлении. Ток разряда будет проходить или через верхний или через нижний диод, и «поглощаться» фильтрующими конденсаторами,  источником питания и самими диодами. Иногда для дополнительной защиты между плюсом питания и «землей» подключают стабилитрон или TVS диод (D3 на схеме). 
   Если вход микросхемы используется для ввода высокочастотного сигнала, следует принимать во внимание тот факт, что  диоды вносят дополнительную паразитную емкость. Величину паразитной емкости можно  найти в спецификации на элемент.
 
   Для защиты входов микросхем производители полупроводниковых компонентов выпускают специальные диодные сборки, в которых содержится сразу несколько диодов.

Стабилитрон (диод Зенера)

   
   Традиционно стабилитрон применяется для получения стабилизированного (опорного) напряжения, но его также можно использовать для защиты входов интегральных микросхем от ESD, подключив между выводом микросхемы и «нулем» питания. Такая схема будет ограничивать  напряжение на входе микросхемы в пределах от –Vd до Vs, где Vd – падение напряжения на стабилитроне в прямом направлении, а Vs – номинальное напряжение стабилизации. 
  Чтобы стабилитрон не оказывал влияние на работу схемы в штатном режиме, номинальное напряжение стабилизации  должно быть выше напряжения входного сигнала. 
   Стабилитроны имеют большую емкость (десятки пФ) и поэтому плохо подходят для защиты высокоскоростных линий.  

TVS диоды

 
   TVS (transient voltage supressor)  диод – это полупроводниковый компонент, предназначенный   для ограничения выбросов напряжений, амплитуда которых превосходит напряжение лавинного пробоя диода.
   В нормальных условиях TVS диод находится в высокоимпедансном состоянии. Когда напряжение на диоде превышает рабочее, импеданс диода понижается, и ток разряда начинает течь через него. При понижении напряжения на TVS диоде он снова возвращается в высокоимпедансное состояние. 
   Вольтамперная характеристика TVS диода аналогична характеристике стабилитрона, поэтому их иногда путают друг с другом. На самом деле это разные приборы. TVS диоды были разработаны специально для защиты цепей от импульсов перенапряжения, в то время как стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения и не рассчитаны выдерживать значительные импульсы  тока . 
  TVS диоды имеют высокое быстродействие, низкое рабочее напряжение и маленькую емкость, что делает их идеальными компонентами для защиты полупроводниковых компонентов от электростатического разряда.

Буферные микросхемы

   
   Еще один вариант защиты входов/выходов интегральных микросхем от электростатического разряда — это использование буферных микросхем. Например, изображенный на схеме двунаправленный буфер 74ACTH245 согласно своей спецификации способен выдерживать электростатические разряды от 200 до 2000 вольт в зависимости от используемой модели разряда. 

Комментарии   

# Krish 23.06.2011 17:05
Круто :) Интересная статья)
ТОлько что такое ESD и TVS, как переводятся?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# JoJo 23.06.2011 21:01
Так в тексте же есть расшифровка:
ESD - electrostatic discharge
TVS - transient voltage supressor
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Bomond 24.06.2011 12:19
Отличная статья! Спасибо.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Руслан 27.06.2011 10:41
Всем привет. А расположение микросхем на плате имеет большое значение? Если не трудно поделитесь инфой как правильно разводить __ располагать элементы на печатке и т.д.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Petrov 30.06.2011 14:31
Цитирую Руслан:
Всем привет. А расположение микросхем на плате имеет большое значение? Если не трудно поделитесь инфой как правильно разводить __ располагать элементы на печатке и т.д.

1. Здравствуй
2. Имеет большое
3. Трудно! Поищи на форуме, обсуждалось уже. Поклонись в ноги САБу. Он знает.
ps: Pashgan, спасибо.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# igor727 02.07.2011 14:09
здравствуйте!
Руслан, прежде чем начать разводить печатную плату нужно четко представлять какие источник ЭМ-излучения могут у Вас присутствовать в схеме, какие возможны наводки из вне, какие сигнальные и измерительные цели сильно подвержены наводкам и помехам. Как правильно соединить силовую часть и логику управления в конкретном том или ином случае. тут много различных фактов которые действубт в совакупности. все приходит с эксперементом и опытом
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Руслан 03.07.2011 19:59
Цитирую igor727:
здравствуйте!
Руслан, прежде чем начать разводить печатную плату нужно четко представлять какие источник ЭМ-излучения могут у Вас присутствовать в схеме, какие возможны наводки из вне, какие сигнальные и измерительные цели сильно подвержены наводкам и помехам. Как правильно соединить силовую часть и логику управления в конкретном том или ином случае. тут много различных фактов которые действубт в совакупности. все приходит с эксперементом и опытом

Есть ли какие-нибудь примеры старых проектов, на примере которых можно было бы с чего-то начать. Или статьи какие-нибудь... ?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Dmitry esd 10.12.2011 09:45
Спасибо за полезную информацию! :-)
Вопрос: Знаете ли что-нибудь о таких элементах защиты от ESD как:
a. bypass
b. SCR (MVTSCR, LVTSCR)
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# foxit 11.02.2013 10:01
А какие есть способы защиты от паразитного питания?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# Pashgan 11.02.2013 22:45
Можно придумать какие-то варианты, например с буферными микросхемами с третьим состоянием, но мне кажется не во всех случаях.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
# cocojambo 16.09.2016 15:56
Здравствуйте. В варианте с использованием одиночного стабилитрона нужно ли параллельно ему подключать резистор, чтобы вход микроконтроллер а не болтался в воздухе или стабилитрон берет на себя и эту задачу?
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить