CN101969194A

CN101969194A - 接口防静电方法、防静电保护电路及电气设备

Info

Publication number: CN101969194A
Application number: CN2010105124021A
Authority: CN
Inventors: 肖群; 黄凯
Original assignee: Fujian Star Net Communication Co Ltd
Current assignee: Fujian Star Net Communication Co Ltd
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: CN101969194B

Abstract

本发明公开了一种接口防静电方法、防静电保护电路及电气设备，该电路包括：与设备接口相连的尖端放电点，在设备接口处出现高于设定的第一电压阈值的静电电压时击穿与设备中参考地之间的空气放电产生光能；与尖端放电点配合的光电元件获取尖端放电点产生的光能，产生击穿电流控制与自身连接的开关元件断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路；一端与尖端放电点连接、另一端与开关元件连接的电流缓冲单元，用于延长设备接口至受保护元器件的电流到达时间，保证开关元件能够在静电电流到达前断开。通过尖端放电点配合光电元件避免较高的静电电压对受保护元器件的破坏，在泄放电压时不会造成起保护作用的元器件的破坏，节约静电保护的成本投入。

Description

接口防静电方法、防静电保护电路及电气设备

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，尤指一种接口防静电方法、防静电保护电路及电气设备。

背景技术

电荷在物质表面积累到一定强度时的电荷快速泄放称为静电放电(Electrostatic Discharge，ESD)。静电放电通常会在瞬间产生很大的尖峰脉冲电流，因此，电子元器件上如果出现静电放电现象，很有可能对自身电路造成破坏性影响，可能导致电子元器件电路噪声，出现暂时的异常，也可能导致电路永久性损坏而不能继续使用。

现有防止静电放电的电路设计都是在芯片对外接口的信号线上加各种保护器件来实现对元器件的保护的，防静电处理方式主要有以下几种：

一是利用普通二极管，这种方式只能起到箝制电压的作用，不能响应频率高达几百兆的ESD脉冲。

二是采用压敏电阻/热敏电阻，这种方式所使用的压敏电阻/热敏电阻等元器件在经过一次ESD脉冲后特性就会改变。

三是采用瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor，TVS管)防静电，现有的TVS管大都只能防止30KV以下的静电电压。也就是说，很多带有ESD保护的芯片，其耐压一般不很高，只能对芯片内部起到基本保护，面对外界动辄10KV/25KV的ESD脉冲，就无法起到对元器件的保护作用了。

可见，目前防静电的实现方法都是采用在高电压下使电子元件的导电特性发生变化将静电泄放到地的原理，都需要外接保护电路来实现对静电的泄放。而外接保护电路的元器件一般是一次性使用的，其硬件成本投入很高，且只能保证在较低的静电电压时防止元器件的破坏，当静电电压较高时，则依然会使电子器件受到破坏。

发明内容

本发明实施例提供一种接口防静电方法及防静电保护电路，用以解决现有技术中通过外接保护电路实现接口防静电时存在的元器件只能一次性使用、硬件实现成本高，可防护的静电电压低等问题。

一种接口防静电保护电路，包括：

与设备接口相连的尖端放电点，用于当设备接口处出现高于设定的第一电压阈值的静电电压时，击穿与参考地平面之间的空气放电，产生光能；

与尖端放电点配合的光电元件，用于获取尖端放电点产生的光能，产生击穿电流控制与自身连接的开关元件断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路；

一端与尖端放电点连接、另一端与开关元件连接的电流缓冲单元，用于延长设备接口至受保护元器件的电流到达时间，保证开关元件能够在静电电流到达前断开。

一种电气设备，包括设备接口、受保护的元器件和设置在该设备的设备接口与受保护的元器件之间的上述的接口防静电保护电路。

一种接口防静电保护方法，包括：

当设备接口出现高于设定的第一电压阈值的静电电压时，与设备接口连接的尖端放电点击穿与参考地平面之间的空气放电，产生光能；

与尖端放电点配合的光电元件获取尖端放电点产生的光能，产生击穿电流，控制与自身连接的开关元件断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路；

与尖端放电点及开关元件连接的电流缓冲单元在设备接口出现所述静电电压时延长设备端口至受保护元器件的电流到达时间，保证开关元件能够在静电电流到达前断开。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的接口防静电方法及防静电保护电路，在设备接口相连的尖端放电点，当设备接口处出现高于设定的第一电压阈值的静电电压时击穿与设备中参考地之间的空气放电产生光能；通过与尖端放电点配合的光电元件，将光能转化为电流，控制与开关元件断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路；该方法能够有效地避免高压静电对电气设备中元器件的破坏，保护元器件，且该方法通过尖端放电产生电流的方式控制电路通断，不会造成起保护作用的元器件的损坏和失效；因此，起保护作用的元器件可以多次使用，设备的硬件成本投入比较低，且实现简单、方便，在高压静电出现时能够及时有效的隔离保护电气设备中的电子元器件。

附图说明

图1为本发明实施例一中接口防静电保护电路的结构示意图；

图2为本发明实施例一中接口防静电方法的流程；

图3为本发明实施例二中接口防静电保护电路的结构示意图；

图4为本发明实施例二中二极管正向保护的原理示意图；

图5为本发明实施例二中二极管正向保护的原理示意图；

图6为本发明实施例二中接口防静电方法的流程图。

具体实施方式

本申请实施例提供一种接口防静电保护电路和接口防静电方法，利用尖端放电的原理实现高压静电的泄放，来保护设备中受保护的元器件。即设置尖端放电点，在静电电压使得尖端放电点的电荷特别密集，尖端附近的电场特别强，在强电场作用下，尖端放电点的尖锐处由于曲率大，电力线密集，因而电势梯度大，从而导致发生尖端附近的部分气体被击穿而发生放电，即尖端放电现象。

下面通过具体的实施例进行详细说明。

实施例一：

本发明实施例一提供的接口防静电保护电路，该电路可以设置在任何电气设备中，连接在电气设备的设备接口和受保护的元器件之间，起到对电气设备中的元器件的静电保护作用。该电路的结构如图1所示，包括：尖端放电点、光电元件、电流缓冲单元和开关元件。

初始状态下，开关元件处于闭合状态，设备接口与受保护的元器件之间建立电流通路。

尖端放电点与设备接口相连，用于当设备接口处出现高于设定的高压阈值(第一电压阈值)的静电电压时击穿空气放电，产生光能。尖端放电点与设备的参考地平面(简称参考地)之间维持一定的距离，以使得在设备接口处出现高于设定的高压阈值的电压时，能够击穿空气放电。其中，尖端放电点与参考地之间的距离与设定的高压阈值成正比。且尖端放电点的尖端设计的越尖锐静电泄放效果越好。

光电元件与尖端放电点配合使用，用于获取尖端放电点产生的光能，产生击穿电流控制与自身连接的开关元件断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路。

优选的，上述光电元件为光电三极管。光电三极管的基极与尖端放电点配合，发射极接地，集电极与开关元件连接、且与一电阻R连接，电阻的另一端维持设定的电压值V。该光电三极管，用于将基极获取尖端放电点产生的光能所产生击穿电流通过集电极传送至与集电极相连的开关元件，控制开关元件断开。例如：上述电阻起到限流的作用，大小可以根据需要选定，上述电压V的大小可以为5V(伏)。

电流缓冲单元一端与尖端放电点连接，另一端与开关元件连接，用于延长设备接口至受保护元器件的电流到达时间，使开关元件能够在静电电流到达前断开。该电流缓冲单元可以选用蛇形走线、螺旋线圈或其他能够起到电流缓冲作用的元器件。其中，蛇形绕线或螺旋线圈的绕线长度根据开关元件的动作延迟时间确定。

上述电路利用尖端放电产生光能，使得光敏元件(即电路中的光电元件)能够接收到光能，并转化为电信号，驱动设置的开关元件，断开设备接口和受保护的元器件之间的物理线路。从而使得在较高电压的静电作用下，隔离电气设备中受保护的元器件。

利用上述接口防静电保护电路实现接口防静电的方法流程如图2所示，执行步骤如下：

步骤S11：当设备接口出现高于设定的高压阈值的静电电压时，与设备接口连接的尖端放电点击穿与设备中参考地之间的空气放电，产生光能。

其中，尖端放电点击穿空气的电压和尖端放电点与设备参考地之间的距离相关。因此，根据第一电压阈值设置尖端放电点与参考地平面之间的距离，具体设置的高压阈值与该距离成正比例关系。根据帕邢定律，在气压低于1大气压(约0.1兆帕)时，击穿空气介质产生光学效应，在放电点产生较强的光能时，空气介质的击穿电压也可近似地用3KV/mm的击穿场强来估计。

也就是说，当需要设置对3KV以上的静电电压进行防护时，即设置高压阈值为3KV时，则可以设置尖端放电点与设备参考地之间的距离不大于1mm。当需要设置对6KV以上的静电电压进行防护时，即设置高压阈值为6KV时，则可以设置尖端放电点与设备参考地之间的距离不大于2mm。当然这只是说可以根据需要设置尖端放电点与设备参考地之间的距离大小，实际上尖端放电点与参考地平面距离越小，可防护的静电电压的范围越大。根据尖端放电原理一般当距离越小电压越高时放电产生的光能越大，光亮度就越亮。

在设置尖端放电点与设备参考地之间的距离后，则高压阈值随之确定，当设备接口的静电电压大于等于设置的高压阈值时，则会发生尖端放电现象。

步骤S12：与尖端放电点配合的光电元件获取尖端放电点产生的光能，产生击穿电流，控制与自身连接的开关元件断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路。

尖端放电点放电后产生光能，与其配合的光电元件的光电感应部分，则可以感应到光亮而产生电流。即光电三极管的基极获取尖端放电点产生的光能产生击穿电流，通过集电极传送至与集电极相连的开关元件，控制开关元件断开，实现断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路。

步骤S13：与尖端放电点及开关元件连接的电流缓冲单元在设备接口出现静电电压时延长设备端口至受保护元器件的电流到达时间，使开关元件能够在静电电流到达前断开。

由于开关断开具有一定的时间延迟，因此需要在设备接口与被保护的元器件之间的线路中设置电流缓冲单元，以便开关能够在静电电流到达之前切断设备接口与被保护的元器件之间物理线路。

电流缓冲单元一般是采用蛇形绕线、螺旋线圈等实现，当然也可以采用其他可以延迟电流到达的绕线方式或其他元器件实现。其中，采用采用绕线方式实现时，所需绕线的长度和开关断开的动作延迟时间成正比，一般可以按照018ns/inch(即电流传送一英寸需要0.18纳秒的时间)，参照开关断开的动作延迟时间计算绕线的长度。

实施例二：

本发明实施例二提供的接口防静电保护电路，其结构如图3所示，包括：尖端放电点、光电元件、电流缓冲单元和开关元件。与实施例一种不同的是，该电路还包括：与开关元件及受保护元器件相连的低压防护元件。

其中，低压防护元件，用于当设备接口出现不高于设定的高压阈值但高于设定的低压阈值(第二电压阈值)的静电电压时，泄放静电电压，实现对受保护的元器件的保护。

上述低压保护元件为下列元器件中的一种或组合：二极管、TVS管、空气放电管、压敏电阻和热敏电阻。图3中所示的低压保护器件是两个二极管，这两个二极管的正极对接，其中一个二极管的负极接地，另一个二极管的负极与开关元件及受保护的元器件相连。

当然可选的两个二极管的连接方式也可以是：一个二极管的正极与开关元件及受保护的元器件相连，负极维持一个设定的电压值VCC，而另一个二极管的负极与开关元件及受保护的元器件相连，正极接地。从而可以实现对正反两个方向的静电电压的防护作用。

图3中的二极管实现正向静电电压防护的原理如图4所示，实现反向静电电压防护的原理如图5所示。

如图4中所示的低压保护装置(也称双向保护装置)，一个二极管的负极接地，另一个二级管的负极接受保护的元器件，进入双向保护装置的静电电流是正向的，且超过了设置的低压阈值(即图中的正电压阈值)，静电能量沿图4中所示能量泻放方向的箭头所示的方向泄放，进入受保护元器件的电流电压则不再高于该正电压阈值。

如图5中进入双向保护装置的静电电流是反向的，且超过了设置的低压阈值(即图中的负电压阈值)，静电能量沿图5中所示能量泻放方向的箭头所示的方向泄放，进入受保护元器件的电流电压则不再高于该负电压阈值。

利用上述接口防静电保护电路实现接口防静电的方法流程如图6所示，执行步骤如下：

步骤S21：根据设备接口的静电电压的高低确定采用低压防护器件还是尖端放电点泄放。

若设备端口电压高于设置的高压阈值，则执行步骤S22；若不高于高压阈值且高于设置的低压阈值，则执行步骤S24。

步骤S22：与尖端放电点配合的光电元件获取尖端放电点产生的光能，产生击穿电流，控制与自身连接的开关元件断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路。

该步骤实现过程同步骤S12，此处不再赘述。

步骤S23：与尖端放电点及开关元件连接的电流缓冲单元在设备接口出现静电电压时延长设备端口至受保护元器件的电流到达时间，使开关元件能够在静电电流到达前断开。

该步骤实现过程同步骤S13，此处不再赘述。

步骤S24：低压防护器件泄放静电电压，实现对受保护的元器件的保护。

在当设备接口出现不高于设定的高压阈值但高于设定的低压阈值的静电电压时，由于尖端放电点不会放电，此时低压防护器件起防护作用，泄放静电电压，实现对受保护的元器件的保护。

1、二极管和TVS管防静电原理：

如图下图所示，一端接要保护的线路，一端接地，无论来自反向还是来自正向的ESD脉冲均被释放，更有效地保护了IC。下图为二极管器件正向保护示意图。

可见本发明实施例二的上述方法在设备接口设置尖端放电点和光电元件，将电压较高的静电转化为光电元件的电流，控制开关元件的通断，起到对高电压静电破坏的保护作用；同时，在电路中设置常用的普通保护器件，用于对低电压的静电的泄放；既可以避免了高电压静电对元器件的破坏，也可以释放低压静电避免对元器件的破坏，且不会导致起保护作用的元器件的破坏。在更大电压范围内防止静电对电子电气设备的破坏。

综上所述，本发明实施例提供的接口防静电保护电路及接口防静电方法，通过尖端放电点和光电元件感应光亮产生电流，实现对设备接口与受保护的元器件之间的物理同通路的通断控制，从而实现对设备接口处出现的高压静电的泄放，该电路设计简洁易实现，结构简单，成本低廉。且能够在不破坏起保护作用的元器件的情况下，实现对高压静电的防护，避免其对设备中元器件的破坏。其防高电压静电效果好，且容性附加负载小，不会对线路产生任何的附加容性负载。

优选的，该方法可以通过与低压防护器件的共同作用，实现对高压静电和低压静电的共同防护，从而可以防止高于信号电平的所有区间的静电，解决了现有技术不能在高电压静电时保护元器件的漏洞，使可防护的静电电压范围扩大化。

该方法通过控制尖端放电点与参考地平面的距离实现对不同电压范围的防护，通过绕线长度不同可以选用不同性能的开关元件，其实现灵活、适用性强。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种接口防静电保护电路，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述尖端放电点与所述参考地平面之间的距离与设定的第一电压阈值成正比。

3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述光电元件包括：光电三极管；

所述光电三极管的基极与尖端放电点配合，发射极接地，集电极与开关元件连接、且与一电阻连接，电阻的另一端维持设定的电压值；

光电三极管，用于将基极获取尖端放电点产生的光能所产生击穿电流通过集电极传送至与集电极相连的开关元件，控制开关元件断开。

4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电流缓冲单元为蛇形走线或螺旋线圈；

所述蛇形绕线或螺旋线圈的绕线长度根据所述开关元件的动作延迟时间确定。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述设定的第一电压阈值不小于3KV。

6.如权利要求1-5任一所述的电路，其特征在于，还包括：与开关元件及受保护元器件相连的低压防护元件；

低压防护元件，用于当设备接口出现不高于设定的第一电压阈值但高于设定的第二电压阈值的静电电压时，泄放静电电压，实现对受保护的元器件的保护；所述第二电压阈值小于第一电压阈值。

7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述低压保护元件为下列元器件中的一种或组合：

二极管、TVS管、空气放电管、压敏电阻和热敏电阻。

8.一种电气设备，其特征在于，包括设备接口、受保护的元器件和设置在该设备的设备接口与受保护的元器件之间的如权利要求1-7任一所述的接口防静电保护电路。

9.一种接口防静电保护方法，其特征在于，包括：

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述第一电压阈值设置所述尖端放电点与所述参考地平面之间的距离。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光电元件包括光电三极管；光电三极管的基极与尖端放电点配合，光电三极管发射极接地、集电极与一电阻连接，电阻的另一端维持设定的电压值；

所述与尖端放电点配合的光电元件获取尖端放电点产生的光能，产生击穿电流，控制与自身连接的开关元件断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路，具体包括：

光电三极管的基极获取尖端放电点产生的光能产生击穿电流，通过集电极传送至与集电极相连的开关元件，控制开关元件断开，实现断开设备接口与受保护的元器件之间的电流通路。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述电流缓冲单元采用蛇形绕线或螺旋线圈；

根据所述开关元件的动作延迟时间确定所述蛇形绕线或螺旋线圈的绕线长度。

13.如权利要求9-12任一所述的方法，其特征在于，还包括：

当设备接口出现不高于设定的第一电压阈值但高于设定的第二电压阈值的静电电压时，低压防护器件泄放静电电压，实现对受保护的元器件的保护；所述第二电压阈值小于第一电压阈值。