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電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2022-04-02 18:08

ESD是Electro Static Discharge(靜電放電)的縮寫(xiě),是一種高能脈沖瞬態(tài)干擾,電荷從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)物體。

 

ESD放電分為直接放電和間接放電:

 

直接放電:利用放電電擊直接對(duì)被測(cè)體或設(shè)備實(shí)施放電;

 

間接放電:對(duì)被測(cè)物體或試設(shè)備鄰近之耦合板實(shí)施放電。 

 

ESD實(shí)驗(yàn)基本原理:帶不同電位的導(dǎo)體通過(guò)直接接觸或者感應(yīng)而導(dǎo)致物體間靜電電荷移動(dòng),靜電放電電荷快速移動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生很大的瞬間電流,形成電磁場(chǎng)典型的靜電放電曲線圖:

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

而談到ESD防護(hù),應(yīng)用最廣泛的是ESD/TVS管,當(dāng)然最主要的應(yīng)該還是ESD管,TVS管最主要的作用是防浪涌,對(duì)于正負(fù)4KV的pin腳不上電ESD測(cè)試,也可以?xún)H僅依靠nf級(jí)電容完成ESD防護(hù)。下面以一篇實(shí)際案例進(jìn)行說(shuō)明。

 

 實(shí)驗(yàn)布置圖:

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

實(shí)驗(yàn)要求:在不上電情況下,對(duì)產(chǎn)品插座的每個(gè)pin腳(GND腳除外)靜電接觸放電,放電等級(jí)為±4KV,放電電容150pf,放電電阻1.5KΩ,ESD實(shí)驗(yàn)前后RCL偏差值不超過(guò)10%。

 

 電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)如下pin腳在實(shí)驗(yàn)前后的RCL差值超出了10%。

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

現(xiàn)象分析:對(duì)比通過(guò)實(shí)驗(yàn)的pin腳和未通過(guò)實(shí)驗(yàn)的pin腳接口電路發(fā)現(xiàn),能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)的都是接口有10nf電容(無(wú)ESD管/TVS管),未通過(guò)實(shí)驗(yàn)的都是接口未添加任何保護(hù)電路的(接口是三極管的基級(jí)輸入,查了三極管規(guī)格書(shū),是可以通過(guò)HBM模式下的4KV的管腳ESD測(cè)試,但是實(shí)驗(yàn)還是失效了):

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

接口預(yù)留了10nf的陶瓷電容

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

接口沒(méi)有10nf電容

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

三極管HBM模式

 

元器件的ESD等級(jí)通常是按照IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行,即:放電電阻為330Ω,放電電容150pf,相對(duì)本次ESD實(shí)驗(yàn),放電電阻1.5KΩ,放電電容150pf,實(shí)驗(yàn)條件更為嚴(yán)苛,但是實(shí)測(cè)時(shí)并未通過(guò)實(shí)驗(yàn)。

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

給未通過(guò)該項(xiàng)測(cè)試的pin腳增加10nf對(duì)地電容,重新測(cè)試該項(xiàng)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)通過(guò)。

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

Pin腳增加10nf電容

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

給pin腳增加了10nf后重新測(cè)試結(jié)果

 

問(wèn)題分析:

 

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)靜電放電的電流標(biāo)準(zhǔn)模型為:

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

電流具有小于1ns的上升沿,通過(guò)上升沿跟最大帶寬的計(jì)算公式0.35/tr,可得最大帶寬約為500MHz。靜電產(chǎn)生的輻射場(chǎng)是由放電電流產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng),根據(jù)人體-金屬模型,接觸放電時(shí)的波形和頻譜圖如下所示:

 

 電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

從放電頻譜圖可以看出,靜電放電能量最大頻點(diǎn)約為50MHz,我們考慮旁路該頻點(diǎn)信號(hào),對(duì)應(yīng)電容的諧振特性曲線

 

電容在ESD實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

 

發(fā)現(xiàn)10nf電容對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)接近50MHz,所以最終選擇10nf的電容,并通過(guò)了該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

 

查閱相關(guān)資料,因?yàn)殡娙莸哪蛪褐迪拗?,Q=CU,在放電等級(jí)很高的情況下,是可能導(dǎo)致電容放電失效的,網(wǎng)上的說(shuō)法是不能高于4KV(HBM模型)。

 

思考總結(jié):

 

1.對(duì)于硬件接口電路,在ESD接口接觸放電等級(jí)不高,±4KV,可以考慮僅選用10nf陶瓷電容,優(yōu)點(diǎn)是成本較低;

 

2.對(duì)于高速信號(hào)的接口電路,考慮信號(hào)可能會(huì)被10nf的電容旁路,因而選用10nf不可??;

 

3.對(duì)于芯片中提到的實(shí)驗(yàn)等級(jí),除了跟供應(yīng)商確認(rèn)以外,還需要在實(shí)驗(yàn)中確認(rèn)。

 

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來(lái)源:電磁兼容EMC

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