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在许多基于单片机的应用中,单片机都受到各类电磁噪 声的影响。电气噪声可能导致应用出现异常行为。其 中的两种噪声事件分别称为静电放电(Electrostatic Discharge,ESD)和电过载(Electrical Overstress, EOS)。本应用笔记讨论了这两种事件、导致这些事 件的原因以及如何最大程度降低它们对应用的影响。
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2017 Microchip Technology Inc. DS00001785A_CN 第 1页
简介
在许多基于单片机的应用中,单片机都受到各类电磁噪
声的影响。电气噪声可能导致应用出现异常行为。其
中的两种噪声事件分别称为静电放电(Electrostatic
Discharge,ESD)和电过载(Electrical Overstress,
EOS)。本应用笔记讨论了这两种事件、导致这些事
件的原因以及如何最大程度降低它们对应用的影响。
什么是ESD?
静电放电(ESD)是一种最常见的电磁兼容(Electro-
Magnetic Compliance,EMC)现象。术语“静电”表
示特定物质在与其他物质接触(例如,用脚在羊毛地毯
上摩擦)时累积的静电荷。有时在触摸金属或汽车时会
产生电火花,这就是静电放电(ESD)现象。放电量
取决于物质和环境(包括湿度)。
ESD现象不仅仅发生在人与带静电物质接触的情况下。
机器和家具(例如,工作台)也会累积静电,并在与电
气元件接触时发生放电。
规范IEC 61000-4-6 定义了人类和机器累积的静电荷。
相应的模型分别称为:“人体模型”(Human Body
Model,HBM)和 “机 器 模 型”(Machine Model,
MM)。
下面的图1给出了由IEC 标准定义的ESD电压。
图1: ESD电压
如图1所示,累积的静电荷取决于环境的相对湿度。湿
度越低,累积的静电荷越高。表1 给出了日常生活中常
用物质的典型电压与相对湿度的关系。
表1: 常见静态电压
作者:
Padmaraja Yedamale
Enrique Aleman
Microchip Technology Inc.
静态电压与相对湿度
(Relative Humidity,RH)
的关系
20% RH
(kV)
80% RH
(kV)
在乙烯基地板上走动
12 0.25
在合成纤维地毯上走动
35 1.5
泡沫垫产生的静电
18 1.5
拾起聚乙烯袋
20 0.6
在地毯上滑动苯乙烯盒
18 1.5
从PCB中取出聚酯磁带
12 1.5
PCB上的收缩薄膜
16 3.0
触发真空焊锡清除器
81.0
电路冷却喷雾器
15 5.0
15
13
9
5
1
15 35 40 80 100
相对湿度 %
}
例如,无湿度控制的
办公室(冬季)
合成纤维
羊毛
抗静电材料
峰值电压
(kV)
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ESD 和EOS 的原因、差异及预防

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DS00001785A_CN 第 2页 2017 Microchip Technology Inc.
ESD 测试在产品生命周期内的各个级别下进行,例如,
元件级(如,Microchip 的 MCU)、电路板级(如,控
制板)以及终端设备级(如,洗衣机)。
对于Microchip的产品而言,芯片内置有保护电路,可
避免典型ESD 级别可能会导致的任何损坏。依据质量
流程,所有Microchip器件都会按以下标准进行测试:
• ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2012,用于静电放电敏
感度测试,人体模型(HBM)——元件级
• JESD22-A115,用于静电放电(ESD)敏感度测试,
机器模型(MM)
• ANSI/ESD S5.2-2009,用于静电放电敏感度测试,机
器模型(MM)——元件级
Microchip 发布了
“
Quality Handbook
”
(DS00169),
可通过单击以下链接从Microchip 网站下载该手册:
http://www.microchip.com/quality
将芯片安装到PCB 上之后,系统设计人员将在PCB 级
对应用的ESD 敏感度进行测试。通常,在该级别,连
接器和电缆会进行传导放电。
终端设备制造商(例如,家电制造商)将基于第一个接
触点对终端设备的ESD 敏感度进行测试。第一个接触
点定义为最终用户或组装设备的接触点。例如,对于
冰箱,接触点是门把手或饮水机按键;对于洗衣机,
接触点是显示屏上的按键或控制旋钮。国际标准
IEC-61000-4-2中给出了PCB和最终产品的ESD抗扰性
测试规范示例。
一般来说,为最大程度降低ESD 对 PCB 和最终产品的
影响,设计过程中应尽可能以最高效的方式将ESD 电
能分流到地。
什么是EOS?
在半导体环境中,电过载(EOS)这一术语用于说明
当电子器件承受的电流或电压超出器件的规范限值时可
能发生的一种现象。电过载可能会对整个器件或器件的
一部分造成热损坏。热损坏是因发生EOS 事件期间产
生过多热量而引起。当器件承受高电压或高电流时,器
件内的连接会发生电阻加热,从而使温度过高。通常,
过多热量处于施加电气应力的区域周围。这会导致器件
损坏,并且大多数情况下,这种损坏肉眼可见。
EOS 可能因单次非重复性事件或者持续的周期或非周
期事件而引起。EOS 事件可以是瞬时事件(仅持续几
毫秒),在满足条件的情况下也可以是持续事件。EOS
能量耗尽后,器件可能永久损坏,也可能无法正常工作
或者只有一部分可以正常工作。
可能导致EOS 的原因
下面列出了可能会导致EOS的问题:
1. 电源电压浪涌超出绝对最大电压范围。
2. 电路板上的开关电路可能会导致电路板内部出现
高压尖峰,进而传播到电路板上的其他器件。
3. 外部连接(例如,外部电缆上的电容电荷)、外
部开关噪声的天线接收以及感性负载会产生电压
尖峰。
4. 因不良接地而导致地平面的噪声过大。
5. I/O开关产生电压过冲或下冲。
6. 因电气噪声环境中的不良屏蔽而导致EMI(电磁
干扰)。
7. 不正确的上电顺序会向器件施加不合适的电压或
极性。
8. 可能损坏或弱化器件性能的ESD事件,这些事件
会使器件更容易受未来EOS事件的影响。
9. 如果电流过高或持续时间较长,则闩锁事件可能
导致EOS损坏。

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ESD与EOS
ESD 与 EOS 事件之间的主要差别在于持续时间。发生
ESD 事件时,电压通常介于500V 到8000V 之间,持续
时间小于300 ns。ESD事件期间,峰值电流可以达到数
安培,但由于这种事件的持续时间极短,精心设计的
ESD 保护电路可将此电能分流到地,因此不会导致损
坏。而对于EOS 事件,电压和电流的大小与此类似,
不过持续时间较长,通常为1 ms到几分钟。
应用的电气故障可能表现出下列一种或多种现象:
1. 电源电流过高。
2. 电源电压与地之间的电阻较低。
3. 与电源电压或地相连的输入或输出引脚短路。
4. 与一个或多个引脚(I/O、电源电压或地)的连
接断开。
5. 因器件内部损坏而导致功能性故障。
6. 器件意外复位。
7. 器件发生闩锁。
EOS和ESD之间可以观察到的现象差异通常不太明显,
在某些情况下,诊断错误会导致解决方案失效。下面介
绍了一些可能有助于识别EOS 故障与ESD 故障的准
则,还提供了用于说明各类故障所导致的典型损坏的
图片和图表。
“ESD 故障的特性”部分旨在帮助读者了解二者的差
异,进而可以提供适当的反馈,以便针对故障及时找到
解决方案。

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ESD故障的特性
ESD故障通过以下损坏条件来识别:
• 故障集中在小面积内
• 通常集中在I/O焊盘和关联电路周围
• 特点是晶体管结之间的丝极熔化,进而导致短路
• 故障区域极小,难以找到
• 仅一个器件损坏
• 只有一种损坏模式
图2: I/O与VSS之间的 ESD钳位损坏 —— 放大后的I/O引脚
注: 下面各图取自实际故障分析报告,旨在说
明各种ESD和EOS 故障的示例。
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