【導(dǎo)讀】微電子電路面臨的風(fēng)險(xiǎn)比以往任何時(shí)候都大，罪魁禍?zhǔn)资庆o電放電（ESD）。靜電放電是隱秘的殺手，特別容易攻擊敏感的 IC。單次靜電放電事件就可以將 PCB 摧毀。抗靜電放電設(shè)計(jì)只要錯(cuò)失一步就可能意味著延誤上市時(shí)間、影響開發(fā)進(jìn)度，以及激怒客戶。在某些高壓力情況下，甚至意味著你的飯碗不保。
在尺寸不斷縮小的微電子時(shí)代，如果 ESD 瞬變未加抑制地在 PCB 走線上出現(xiàn)之前你不去主動(dòng)地阻止它們，那么 ESD 事件很可能毀了你的產(chǎn)品。
在寫這篇文章時(shí)，我剛好想起幾個(gè)月前發(fā)生的一件相當(dāng)有趣的事。一位快要發(fā)瘋了的客戶聯(lián)系我們尋求緊急幫助，希望能夠保護(hù)他的系統(tǒng)免遭“憤怒的”ESD 瞬變傷害。這個(gè)可憐的家伙遭受了一系列抗 ESD 故障的打擊，并使得他的產(chǎn)品規(guī)劃全泡了湯。他肯定錯(cuò)漏了一些步驟。
首先，他沒有在任何 I/O 接口處實(shí)現(xiàn)保護(hù)鉗位電路，也沒有為 TVS 鉗位器件放置 PCB 焊盤作為他需要保護(hù)的“安全閥”措施。使挑戰(zhàn)更加復(fù)雜的是，這種特殊產(chǎn)品上的 I/O 端口被連接到了一些高速和非常敏感的通信 IC。并沒有發(fā)生多少 ESD 就使得這些電路板發(fā)生了通信故障。圖 1 顯示了在數(shù)據(jù)線上使用鉗位二極管的例子。
圖 1：TVS 二極管可以在數(shù)據(jù)線上提供 ESD 保護(hù)。這個(gè)例子展示了帶 ESD 保護(hù)功能的 USB 2.0 數(shù)據(jù)線。
當(dāng)?shù)谝粔K板沒有通過 ESD 一致性測(cè)試時(shí)，還會(huì)推出版本 1 和版本 2。這次不再是“瞎猜了”。客戶顯然找到了一個(gè) ESD 額定電壓為±15kV 的瞬態(tài)電壓抑制（TVS）鉗位管。他在電路板的一些 I/O 端口上布放了一些 TVS，然后相當(dāng)高興地認(rèn)為這個(gè)器件可以保證他的系統(tǒng)可以抗±15kV 的 ESD 沖擊。雖然這步走的方向是正確的，但他仍然從根本上誤解了 ESD 威脅。第二版電路仍然沒有通過±15kV 電壓的測(cè)試，雖然這時(shí)他發(fā)現(xiàn)用 TVS 帶來(lái)了一定程度的改進(jìn)。圖 2 展示了 TVS 二極管如何“鉗位”來(lái)自 ESD 脈沖的電壓。
圖 2：鉗位二極管可以減小來(lái)自 ESL 脈沖的電壓，因而能有效防止你的電路受到損壞。Transient Environment： 瞬態(tài)環(huán)境 Transient voltage： 瞬態(tài)電壓 Transient current： 瞬態(tài)電流 Clamped voltage： 鉗位電壓 TVS Diode： TVS 二極管 Data Line Transceiver IC： 數(shù)據(jù)線收發(fā)器 IC
由于遭受了兩次電擊，這位工程師帶著驚恐的心情求助于我們。隨著我們對(duì)問題的深入分析，我真切感受到這位工程師的焦慮和恐懼。事實(shí)上，我有深切的感受，在這位工程師的 PCB 走線上亂串的 ESD 瞬態(tài)信號(hào)不僅會(huì)危害到電路板上的通信器件，而且毫不夸張地說可能威脅到他的工作。他早就需要一個(gè)解決方案了。由于時(shí)間不等人，而且這個(gè)已經(jīng)推遲的設(shè)計(jì)另一端還有一位就要失去耐心的客戶，我們接管了這個(gè)問題。他把電路板送到了我們的 Semtech 實(shí)驗(yàn)室，明確希望我們保護(hù)這個(gè)產(chǎn)品免受 ESD 的傷害，繼而也保護(hù)他的信譽(yù)和工作。
然而，我們首先需要澄清的誤解是，TVS 鉗位器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上的±15kV 額定值與他在 PCB 上想要達(dá)到的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)閾值基本上沒有關(guān)系。那個(gè)額定值涉及的是 TVS 器件本身的故障閾值，但并不等同于系統(tǒng)要保證的抗干擾度。正如事實(shí)擺明的那樣，他的系統(tǒng)電路太敏感了，在滿足針對(duì) TVS 器件的電容約束和尺寸要求條件下，很難達(dá)到±15kV 的系統(tǒng)級(jí)抗干擾性能。
此外我要解釋的是，并不是所有 TVS 器件生來(lái)都是一樣的。不同制造商生產(chǎn)的兩種 TVS 鉗位器件的鉗位性能可能有很大的差別。如果產(chǎn)品開發(fā)周期非常吃緊的話，選擇便宜、山寨的 TVS 器件不是一個(gè)好的策略。因此，我們用一些更新的高性能低側(cè)鉗位器件對(duì)他的電路板進(jìn)行了改造——這些器件可以抑制很高的峰值電流。這樣，這塊電路板的抗干擾性能有了顯著的改進(jìn)，如下圖所示。
圖 3：增加瞬態(tài)電壓抑制可以顯著降低鉗位電壓，保護(hù)敏感的 IC。Voltage： 電壓
TVS Clamping Response （ 8kV Contact Discharge）： TVS 鉗位響應(yīng)（ 8kV 接觸放電）8kV Contact voltage waveform： 8kV 接觸電壓波形 No external TVS protection implemented： 沒有使用外部 TVS 保護(hù) Clamped ESD voltage（ 8kV contact） with Semtech RClamp0531TQ TVS： 使用 Semtech RClamp0531TQ TVS 的鉗位 ESD 電壓（ 8kV 接觸電壓）Time： 時(shí)間
他的系統(tǒng)現(xiàn)在可以輕松通過±8kV 測(cè)試了（大多數(shù)情況下±8kV 足夠了）。電路板仍然沒能通過±15kV 接觸放電測(cè)試（擴(kuò)展目標(biāo)），但比以前的結(jié)果要好多了。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的健壯性，我們?cè)诰€路上增加了一個(gè)小的串聯(lián)電阻，它足以壓制殘余的瞬態(tài)電流，但還不足以影響信號(hào)性能。
雖然增加電阻并不是最理想的方案，但它確實(shí)提高了抗 ESD 性能，在這樣一個(gè)設(shè)計(jì)后期階段，它提供了實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易的修復(fù)手段。最終結(jié)果表明一切安好：穩(wěn)健的產(chǎn)品，愉悅的最終用戶，高興的老板，以及更加深入理解 ESD 保護(hù)知識(shí)的工程師。正如他們說的那樣，“增加電阻起到了四兩撥千斤的效果。”我猜想在他的下一個(gè)設(shè)計(jì)中，我們的朋友會(huì)更加主動(dòng)地去避免最后時(shí)刻才會(huì)發(fā)現(xiàn)的任何 ESD 失誤。
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