ADC输入的ESD保护

电器工程 静电放电
2022-01-11 11:54:37

我想保护 MCU (PIC18F67J60) ADC 输入(0 至 3.3V)免受 ESD 浪涌的影响。

我已经看到了不同的方法,并且有些怀疑什么是首选方法。或者可能只是每种方法的优缺点。

方法是:

  • 具有正确反向工作电压的 TVS 二极管接地。

  • 两个肖特基二极管:一个在 V+ 和 adc 输入之间,一个在 GND 和 adc 输入之间。

选择什么?

2个回答

有几种方法可以做,一个成功的方法通常需要同时使用几种方法。他们是:

  1. 在 PCB 本身上使用火花隙。这通常使用 PCB 上相隔约 0.008 英寸或更小的两个菱形焊盘制成。这不能被阻焊层覆盖。一个焊盘连接到 GND(或者更好的是,机箱接地),另一个是您要保护的信号。把它放在它进来的连接器上。这个火花隙实际上并不能很好地工作,因为它可能只会将 ESD 电压降低到大约 600 伏——由于 PCB 上的湿度和污垢,它会产生很大的影响。这样做的第一目的是消除火花在二极管和电阻器等其他保护设备上跳跃的可能性。您不能单独使用火花间隙并期望一切正常。

    PCB火花间隙
    PCB 火花隙示例。
    来源NXP AN10897 ESD 和 EMC 设计指南。转。02(图 33 内)。

  2. 火花和敏感元件之间的串联电阻。该电阻应尽可能大,而不会干扰您的信号。有时您的信号不允许使用任何电阻,或者有时您可以使用大至 10K 欧姆的电阻。铁氧体磁珠也可以在这里工作,但如果可能的话,最好使用电阻器,因为电阻器在更宽的频率范围内具有更可预测的性能。该电阻器的目的是减少来自尖峰的电流,这有助于保护二极管或其他设备。

  3. 保护二极管(一个将您的信号连接到 GND,另一个连接到 VCC)。这些有望将任何尖峰分流到电源或接地层。将这些二极管放在敏感元件和#2 的串联电阻之间。您可以在这里使用 TVS,但这不如普通二极管。
  4. 信号和 GND(或机箱 Gnd)之间的 3 nF 电容有助于极大地吸收任何尖峰。为获得最佳 ESD 保护,请将其放在串联电阻和芯片之间。为获得最佳 EMI 滤波效果,请将其放在电阻器和连接器之间。根据您的信号,这可能效果不佳。这个电容和串联电阻将形成一个可能对信号质量产生负面影响的低通滤波器。在设计电路时请记住这一点。

每种情况都可能需要这四件事的不同组合。

如果您的 ADC 输入相当慢,那么我会使用火花隙、500 到 1k 的电阻器,也许还有一个上限。如果您在 PCB 上有空间,那么二极管也不会坏(但仍然过大)。

让我详细说明一下火花间隙。假设 0402 封装中的电阻器是您所拥有的全部保护,并且会出现尖峰。即使该电阻器是 1 兆欧,尖峰也可能会跳过那个小电阻器(有效地绕过电阻器)并且仍然会杀死您的芯片. 由于火花间隙中的间隙小于电阻器焊盘之间的距离,因此 ESD 尖峰比电阻器更有可能跨越火花间隙。当然,您可以只使用焊盘之间距离更远的电阻,这在某些情况下是可以的,但您仍然有必须处理的能量。使用火花隙,您确实会消散一些 ESD 能量,即使您没有将其消散到足以使其成为良性的程度。最重要的是,它们是免费的!

TVS 二极管的一个问题是它们有时会产生一定量的泄漏,这可能会影响从高阻抗源获取的 ADC 读数。“真实” VDD 输入的二极管没有这个问题,但可能很危险,因为它们将大量电路暴露于输入瞬态。避免这两个问题的一种方法是使用单独的“电源”,仅用于夹紧,如此处所示请注意,尽管输入阻抗为 1 兆,但几乎没有电压出现在 1 兆电阻上。进一步请注意,即使是怪物大小的电流转储(单击开关)也会将不到一毫安的电流输入电源。