Защита микросхем от ESD и перенапряжений
23/06/2011 - 13:19
Pavel Bobkov
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.