CN102165662A - 静电放电(esd)保护电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电放电(ESD)保护装置和方法。采用本发明示例性实施例的电子装置(100)包括电子元件(106)，其具有信号输入导体(302)。示例性ESD保护电路(200)包括火花隙(204)，其与高通四分之一波变压器(208)串联。示例性ESD保护电路(200)通过火花隙(204)和/或高通四分之一波变压器(208)将ESD脉冲从电子元件(106)的信号输入导体(302)泄放到接地平面(304)。

Description

静电放电(ESD)保护电路和方法

技术领域

本发明总地涉及用于保护电子装置的系统和方法。具体地，本发明的示例性实施例涉及一种静电放电(ESD)保护电路，其通过在ESD脉冲损坏电子元件之前为ESD脉冲提供到接地平面的路径来保护电子元件不受ESD脉冲损害。

背景技术

本节旨在向读者介绍与下面所描述的和/或要求保护的本发明的各个方面有关的技术的各个方面。相信这种讨论有助于为读者提供背景信息以有利于更好地理解本发明的各个方面。因此，应理解这些陈述应该在这个意义上来阅读，而不是作为对现有技术的承认。

一些微波射频(RF)装置对于ESD冲击具有非常低的容限。事实上，幅值不大于100或200伏的ESD脉冲能损坏一些RF装置的敏感元件。这很不幸，因为一些RF应用要求耐受大得多的ESD放电，甚至达到和超过15kV。另外，许多RF装置由于其操作频率而对旁路电容是非常敏感的。这种对旁路电容的敏感性额外要求ESD保护电路具有非常低的电容，大概小于一皮法拉。

典型的系统方案是尽快地将ESD能量从信号路径引导到返回(接地)路径，以便使连接到信号路径的任何ESD敏感元件屏蔽于ESD信号。具体地，一种已知的方法是使用对地旁路装置。这些旁路装置可以包括电感器、聚合物装置以及火花隙装置。旁路电感器方式能被用作RF扼流器，其中RF阻抗足够大以不影响RF性能。

电感器的基本瞬态方程如下所示：

$V\left(t\right)=L*\frac{\mathrm{dI}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ 方程1

其中V(t)是在时间t时电感器上的电压，并且其中L是电感器的电感。根据该方程，电感器能响应于瞬时电压变化，但是不能响应于瞬时电流变化。由于电感器不具有触发电压(象聚合物和火花隙ESD装置那样)，电感器首先立即将能量返回到地，其线圈遭受最大的电流。因此，通常将低电容聚合物和火花隙ESD装置设置为与电感器并联以帮助增加整个ESD保护电路的电流容量。然而，这种典型的ESD保护电路在恶劣的ESD环境中不能为RF元件提供足够稳健的保护。

发明内容

本发明提供了一种具有ESD保护电路的电子装置。示例性的电子装置包括具有信号输入导体的电子元件。示例性的ESD保护电路包括与高通四分之一波变压器串联的火花隙。示例性的ESD保护电路通过火花隙和/或高通四分之一波变压器将ESD脉冲从电子元件的信号输入导体泄放到接地平面。

附图说明

通过参考以下结合附图对本发明一个实施例的具体描述，本发明的上述以及其他特征和优点及其实现方式将变得清晰和被更好地理解，其中：

图1是根据本发明示例性实施例的电子装置的方框图；

图2是根据本发明示例性实施例的ESD保护电路的示意性电路图；

图3是对构建根据本发明示例性实施例的ESD保护电路有用的火花隙电路的顶视图；

图4是对构建根据本发明示例性实施例的ESD保护电路有用的高通四分之一波变压器的示意性电路图；以及

图5是构建根据本发明示例性实施例的ESD保护电路的方法的流程图。

在几个附图中相应的附图标记表示相应的部分。这里所述的示例以一种形式阐述了本发明的优选实施例，而这些示例不应被理解为以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

将在下面描述本发明的一个或多个具体实施例。为了简明地描述这些实施例，在说明书中没有描述实际实现方式的所有特征。将理解的是，在任何这种实现方式的开发中，例如在任何工程或设计项目中，必须做出很多针对特定实现方式的决策来实现开发者的特定目标，例如服从与系统相关的和与商业相关的约束条件(约束条件可能随实现方式而变)。而且，将理解的是，这种开发努力可能是复杂并且费时的，但是对于受益于本公开内容的本领域技术人员来说仍然是设计、制造和生产的常规任务。

图1是根据本发明示例性实施例的电子装置的方框图。该电子装置总地用附图标记100来表示。图1中所示的示例性电子装置100是RF接收装置(例如汽车收音机)，用于接收和播放RF音频信号等。本领域技术人员将理解，电子装置100在其他示例性实施例中可以包括其他类型的装置，例如计算机系统或元件、电视机、电视机顶盒、DVD播放机、个人音频播放机、照相机等，这里所提到的仅仅是几个例子。另外，本领域技术人员将理解，本发明的示例性实施例对于保护任何一种遭受放电ESD脉冲破坏的电子装置都是有用的。另外，本领域技术人员将理解，图1所示的各种功能模块可以包括硬件元件(包括电路)、软件元件(包括存储在机器可读介质上的计算机代码)或硬件和软件元件的组合。

图1所示的示例性电子装置100包括信号输入部分102。信号输入部分102可以包括来自RF天线或其他信号源的输入。正如下面充分阐述的那样，ESD保护电路104适用于保护电子元件(例如处理电子模块106)不受ESD脉冲放电的损害。电子元件106可以包括RF处理电路，其适用于接收来自信号输入部分102的输入信号。电子装置100进一步包括一个或多个扬声器108(其可以包括头戴式耳机)用来传递音频输出信号给使用者。

图2是根据本发明示例性实施例的ESD保护电路的示意性电路图。ESD保护电路总地用附图标记200来表示。信号输入部分202适用于接收对应于例如RF音频节目等的输入信号。

正如下面详细阐述的那样，ESD保护电路200利用火花隙204与高通四分之一波变压器208串联来为ESD敏感RF装置210提供ESD保护。本发明示例性实施例可以另外包括与火花隙204和高通四分之一波变压器208并联的低电容ESD元件206来为ESD敏感RF装置210提供附加的ESD保护。

图3是对构建根据本发明示例性实施例的ESD保护电路有用的火花隙电路的顶视图。该火花隙电路总地用附图标记300来表示。本领域技术人员将理解，图3所示的火花隙电路300代表设置在电子装置的印刷电路板元件上的RF连接器的一部分的布局。

火花隙电路300包括信号输入导体302，其适用于传送例如RF音频输入信号等的信号。在图3中，信号输入导体302被实现为印刷电路板的连接器垫。在本发明示例性实施例中，信号输入导体302可以适用于传送通过信号输入部分202(图2)接收到的输入信号。火花隙电路300包括接地平面(ground plane)304。在本发明示例性实施例中，当超过阈值电压的ESD脉冲冲击信号输入导体302时，火花隙电路300适用于在信号输入导体302和接地平面304之间提供电气路径。

火花隙电路300包括一个或多个火花隙垫306。在图3所示的火花隙电路300的示例性实施例中，火花隙垫306大体上是三角形的并且形成为接地平面304的整体部分。因为火花隙垫306形成为接地平面304的整体部分，火花隙垫306的旁路电容是非常小的并且可透过最多达大约4GHz的操作频率。另外，每一个大体上三角形火花隙垫306的顶点指向信号输入导体302的总体方向。相对于使用单组火花隙垫，期望提供一组备用的火花隙垫以延长火花隙电路300的寿命。

本领域技术人员将理解，可以通过将火花隙垫306放置在相对于信号输入导体302来说电流密度充分高的点上来获得期望的结果。这个位置可能随各自的系统设计考虑而不同。本领域的技术人员将理解，可以采用多种准则来设计火花隙垫306的精确尺寸和形状。这种设计准则的一个例子是假定在信号输入导体302和接地平面304之间每毫米间隔30伏的空气放电值。在一个示例性实施例中，信号输入导体302放置在距离接地平面304大约4mm的位置。在这样的实施例中，火花隙电路300具有120伏的激活电压。换句话说，超过大约120伏特阈值电压的ESD脉冲将通过火花隙垫306泄放到接地平面304。

本领域技术人员将理解，期望信号输入导体302和火花隙垫306之间的印刷电路板上的一般区域没有焊料掩模。在图3所示的示例性实施例中，由焊料掩模负极线308(如虚线所示)所包围的区域没有焊料掩模。

图4是对构建根据本发明示例性实施例的ESD保护电路有用的高通四分之一波变压器的示意性电路图。图4所示的示例性高通四分之一波变压器总地用附图标记400来表示。如上所述，根据本发明示例性实施例的ESD保护电路包括与高通四分之一波变压器例如高通四分之一波变压器400串联的火花隙电路例如火花隙电路300(图3)。

示例性的高通四分之一波变压器400包括容性元件402，如图4所示与第一感性元件404(连接到容性元件402的第一端子)并联连接并且与第二感性元件406(连接到容性元件402的第二端子)并联连接。本领域的技术人员将理解，下面的方程在选择容性元件402、第一感性元件404和第二感性元件406的值时是有用的：

$L=\frac{Z_O}{2\mathrm{\π}{F}_O}$ 方程2

其中L是第一感性元件404和第二感性元件406的电感，Z_O是高通四分之一波变压器400的特性阻抗，而F_O是中心频率；以及

$C=\frac{1}{2\mathrm{\π}{F}_O{Z}_O}$ 方程3

其中C是容性元件402的电容，F_O是中心频率，而Z_O是高通四分之一波变压器400的特性阻抗。本领域技术人员应该进一步理解，容性元件402、第一感性元件404和第二感性元件406的特性阻抗可以利用下面的公式计算：

$Z_O=\sqrt{{Z_S}^2*{\mathrm{Zl}}^2}$ 方程4

其中Zs是源阻抗而Zl是负载阻抗。

高通四分之一波变压器400的特性使其在减轻ESD冲击方面是有用的。例如，第一感性元件404和第二感性元件406中的每一个用作旁路感性元件，其具有较低阻抗以允许高通四分之一波变压器400传送更多的ESD能量到接地平面304(图3)。另外，本发明示例性实施例中的容性元件402具有较小值以提供高阻抗串联路径到受保护的ESD敏感RF装置210(图2)。容性元件402的高阻抗通过第一感性元件404和第二感性元件406迫使更多ESD能量被旁路到接地平面304(图3)。

在本发明示例性实施例中，高通四分之一波变压器400是单级变压器，具有相对窄的带宽，使得由高通四分之一波变压器400接收的大部分能量被反射回源。本领域技术人员将理解，根据本发明示例性实施例的高通四分之一波变压器结构期望采用在变压器输出处发生的负90度相位。以这种方式，来自ESD脉冲的ESD能量在很大程度上从信号输入导体302(图3)移除并且通过接地平面304(图3)返回。

在根据本发明示例性实施例的ESD保护电路中使用高通四分之一波变压器提供了从实源阻抗到实负载阻抗的匹配。另外，四分之一波变压器用于与源和负载阻抗的无损RF隔离，因为最大功率转移仅仅发生在四分之一波的奇数倍。在本发明示例性实施例中，隔离被提供在ESD保护电路200(图2)和被保护的ESD敏感RF装置210(图2)之间。而且，高通四分之一波变压器208提供与宽带能量的隔离而不牺牲电压驻波比(VSWR)。由高通四分之一波变压器208提供的与宽带能量的隔离部分地与ESD脉冲的傅立叶变换的特性相关。本领域技术人员将理解，ESD脉冲的信号波形与指数衰减类似。本领域技术人员应该进一步理解，指数衰减的傅立叶变换与穿过光谱的甚宽带能量相类似。

图5是构建根据本发明示例性实施例的ESD保护电路例如ESD保护电路200(图2)的方法的流程图。该过程总地用附图标记500来表示。该过程开始于块502。

如上所述，从过程500得到的ESD保护电路适用于具有信号输入导体302(图3)的电子装置100(图1)中。在块504中，提供火花隙例如火花隙204(图2)。在块506中，火花隙与高通四分之一波变压器例如高通四分之一波变压器208(图2)串联连接。得到的ESD保护电路适用于通过火花隙204(图2)和/或高通四分之一波变压器208(图2)将ESD脉冲从信号输入导体302(图3)泄放到接地平面304(图3)。该过程结束于块508。

特定实施例已经以附图中的示例的方式被示出并且在这里详细描述，但是本发明可以很容易地进行各种修改和替换。然而，将理解本发明并不限于所公开的特定形式。相反，本发明覆盖落入本发明的精神和范围中的所有修改、等同物和替换，如下面所附权利要求所定义的那样。

Claims (20)

1.一种电子装置(100)，包括：

电子元件(106)，具有信号输入导体(302)；以及

静电放电(ESD)保护电路(200)，其包括与高通四分之一波变压器(208)串联的火花隙(204)，该ESD保护电路(200)适用于通过火花隙(204)和/或高通四分之一波变压器(208)将ESD脉冲从信号输入导体(302)泄放到接地平面(304)。

2.权利要求1中的电子装置(100)，包括低电容ESD元件(206)，其与火花隙(204)和高通四分之一波变压器(208)并联。

3.权利要求1中的电子装置(100)，其中火花隙(204)包括至少一个火花隙垫(306)，其适用于当ESD脉冲达到电压阈值时，允许瞬间放电以将ESD脉冲从信号输入导体(302)泄放到接地平面(304)。

4.权利要求3中的电子装置(100)，其中该至少一个火花隙垫(306)包括接地平面(304)的大致三角形部分，并且其中该至少一个火花隙垫(306)的顶点被定向成指向信号输入导体(302)的总体方向。

5.权利要求3中的电子装置(100)，其中该至少一个火花隙垫(306)和信号输入导体(302)之间的路径没有焊料掩模。

6.权利要求3中的电子装置(100)，其中该至少一个火花隙垫(306)放置在相对于信号输入导体(302)来说电流密度充分高的点上。

7.权利要求3中的电子装置(100)，其中该至少一个火花隙垫(306)包括第二火花隙垫(306)，其用作该至少一个火花隙垫(306)的备份。

8.权利要求1中的电子装置(100)，其中高通四分之一波变压器(208)包括容性元件(402)，通过容性元件(402)的第一端与容性元件(402)并联的第一感性元件(404)，以及通过容性元件(402)的第二端与容性元件(402)并联的第二感性元件(406)。

9.权利要求1中的电子装置(100)，其中高通四分之一波变压器(208)包括单级变压器。

10.权利要求1中的电子装置(100)，其中电子装置(100)包括汽车收音机。

11.一种构建静电放电(ESD)保护电路(200)的方法(500)，该ESD保护电路(200)适于用在具有信号输入导体(302)的电子元件(106)中，该方法包括：

提供(504)火花隙(204)；

将该火花隙(204)与高通四分之一波变压器(208)串联连接(506)，其中ESD保护电路(200)适用于通过火花隙(204)和/或高通四分之一波变压器(208)将ESD脉冲从电子元件(106)的信号输入导体(302)泄放到接地平面(304)。

12.权利要求11中的方法(500)，包括将低电容ESD元件(206)与火花隙(204)和高通四分之一波变压器(208)并联连接。

13.权利要求11中的方法(500)，其中火花隙(204)包括至少一个火花隙垫(306)，其适用于当ESD脉冲达到电压阈值时，允许瞬间放电以将ESD脉冲从信号输入导体(302)泄放到接地平面(304)。

14.权利要求13中的方法(500)，其中该至少一个火花隙垫(306)包括接地平面(304)的大致三角形部分，并且其中该至少一个火花隙垫(306)的顶点被定向为指向信号输入导体(302)的总体方向。

15.权利要求13中的方法(500)，其中该至少一个火花隙垫(306)和信号输入导体(302)之间的路径没有焊料掩模。

16.权利要求13中的方法(500)，其中该至少一个火花隙垫(306)放置在相对于信号输入导体(302)来说电流密度充分高的点上。

17.权利要求13中的方法(500)，其中该至少一个火花隙垫(306)包括第二火花隙垫(306)，其用作该至少一个火花隙垫(306)的备份。

18.权利要求11中的方法(500)，其中高通四分之一波变压器(208)包括容性元件(402)，通过容性元件(402)的第一端与容性元件(402)并联的第一感性元件(404)，以及通过容性元件(402)的第二端与容性元件(402)并联的第二感性元件(406)。

19.权利要求11中的方法(500)，其中高通四分之一波变压器(208)包括单级变压器。

20.一种适用于保护具有信号输入导体(302)的电子元件(106)的静电放电(ESD)保护电路，该ESD保护电路包括：

火花隙(204)；

与火花隙(204)串联连接的高通四分之一波变压器(208)，其中ESD保护电路(200)适用于通过火花隙(204)和/或高通四分之一波变压器(208)将ESD脉冲从电子元件(106)的信号输入导体(302)泄放到接地平面(304)。

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