ESD器件怎樣解決所有保護(hù)問(wèn)題？

抗靜電(ESD)器件有時(shí)被作為一種“萬(wàn)能保護(hù)方案”用于不同場(chǎng)合，這顯然是一個(gè)誤區(qū)。我們的目標(biāo)是依照20-80%的原則——一種商業(yè)運(yùn)作規(guī)則，即“80%的銷售額源于20%的客戶”，利用一個(gè)簡(jiǎn)單電路(圖1)解決大多數(shù)應(yīng)用中的ESD保護(hù)問(wèn)題。

該電路取自一個(gè)工廠的邏輯控制單元(PLC)系統(tǒng)，類似電路還可用于電信和消費(fèi)類產(chǎn)品。例如，1913電話手冊(cè)中討論的避雷器ESD保護(hù)裝置。金屬火花隙可以完成同樣功能，但由于它們易溶化，需要頻繁更換，成本相對(duì)較高。比較好的選擇方案是碳磚，即使碳磚表面會(huì)變成粉末脫落并導(dǎo)致短路。典型應(yīng)用中在碳磚之間加上0.005至0.01英寸的云母片，進(jìn)行隔離。

圖1. 20-80% ESD保護(hù)電路

圖1中，可以在A、B處分別串聯(lián)一個(gè)保險(xiǎn)絲，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，例如市區(qū)電話線接觸到600V的電車線攬時(shí)，保險(xiǎn)絲將熔斷。圖中C1可以用碳磚電弧保護(hù)器替代，碳磚在發(fā)生打火時(shí)將吸收很大電流，使保險(xiǎn)絲熔斷。把低熔點(diǎn)金屬墊片嵌在碳磚內(nèi)，即使保險(xiǎn)絲沒(méi)有熔斷碳磚也會(huì)溶化，提供一個(gè)電弧放電通路。這種情況并不常見(jiàn)，但在工廠中時(shí)常會(huì)在保護(hù)電路的輸入端出現(xiàn)意外的高壓信號(hào)。為了限制高壓，可以使用氣隙放電避雷器、金屬氧化物變阻器、二極管抑制器、三端可控硅開關(guān)元件以及雙端交流開關(guān)元件。

參照?qǐng)D1，我們可以把ESD器件分為三類：

● 限壓器：氣隙放電避雷器、金屬氧化物變阻器、二極管抑制器、三端可控硅開關(guān)元件、雙端交流開關(guān)元件、開關(guān)器件等。

● 限流器：保險(xiǎn)絲、斷路器、熱斷流器。

● 上升時(shí)間抑制，通過(guò)減緩瞬變過(guò)程提供附加保護(hù)：電阻、電感、線圈、磁珠、電容等。

圖1中，從左至右，用FB1替代R1能夠充分發(fā)揮C1-D1的效用，通過(guò)限制輸入電流為C1-D1提供保護(hù)。R1、R2也可以用精密電阻替代(例如MAX5490)，對(duì)輸入電壓進(jìn)行衰減，使其達(dá)到ADC所要求的0-5V的采樣范圍。表1列出了不同電壓范圍對(duì)應(yīng)的分壓比。

選擇電容時(shí)，應(yīng)該注意其工作電壓和自諧振頻率。AVX.com和Kemet.com提供SPICE仿真模型，用于計(jì)算自激頻率，電路中的C1用于抑制射頻干擾(RFI)。

也可以利用軟件工具Solve Elec。SolveElec是一款電路仿真器，“Low pass filter.eln” 模擬一個(gè)RC濾波器。在R3-C2、R4-C3分別放置一對(duì)低通濾波器(圖1)，可利用SolveElec仿真兩對(duì)濾波器的頻響特性。

鉗位二極管D1為5.6V瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，由Vishay公司提供(VCUT0505-HD1)。D2-D3可以選用1N4148硅信號(hào)二極管，正向?qū)妷簽?.6V至0.7V。物理尺寸較大的二極管，如1N4001-1N4007能夠承受更大電流。R1和R3用于限制輸入電流，輸入電壓由 D1鉗位(圖1)，介于-0.6V和5.6V之間。D4-D5為肖特基二極管(BAT54或SD101)，正向?qū)妷航橛?.25V至0.3V。R1、 R3和R4三個(gè)電阻等效為串聯(lián)，具有一定的限流作用，輸入電壓鉗位在-0.3V和5.3V之間。

選用電感時(shí)，用L1替代R4，構(gòu)成一個(gè)2或3極點(diǎn)的濾波器。此時(shí)，假設(shè)下一級(jí)電路具有高阻輸入，傳感器、傳感器引線、R1和R3構(gòu)成輸入端接，R5為輸出端接。L1配合C2或C3構(gòu)成2極點(diǎn)濾波器，L1配合C2和C3構(gòu)成3極點(diǎn)濾波器。連接一個(gè)L1的并聯(lián)電容(C4)將為3極點(diǎn)濾波器增添一個(gè)阻帶零點(diǎn)?？梢岳肗uhertz.com的免費(fèi)濾波器設(shè)計(jì)軟件計(jì)算元件值，將數(shù)值代入SolveElec就可以得到完整的頻響特性。

表1: MAX5490作為電壓衰減器能夠提供0.1%、0.05%和0.035%精度，溫度系數(shù)優(yōu)于2ppm/°C