為什么要防護靜電放電?

微電子電路面臨的風(fēng)險比以往任何時(shí)候都大，罪魁禍首是靜電放電(ESD)。這些禍害是隱秘的殺手，特別容易攻擊敏感的IC。單次靜電放電事件就可以將PCB送入地獄?？轨o電放電設計只要錯失一步就可能意味著(zhù)延誤上市時(shí)間、影響開(kāi)發(fā)進(jìn)度，以及激怒客戶(hù)。在某些高壓力情況下，甚至意味著(zhù)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(xiàn)上出現之前你不去主動(dòng)地阻止它們，那么ESD事件很可能毀了你的產(chǎn)品。

在寫(xiě)這篇文章時(shí)，我剛好想起幾個(gè)月前發(fā)生的一件相當有趣的事。一位快要發(fā)瘋了的客戶(hù)聯(lián)系我們尋求緊急幫助，希望能夠保護他的系統免遭“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)品規劃全泡了湯。他肯定錯漏了一些步驟。

首先，他沒(méi)有在任何I/O接口處實(shí)現保護鉗位電路，也沒(méi)有為T(mén)VS鉗位器件放置PCB焊盤(pán)作為他需要保護的“安全閥"措施。使挑戰更加復雜的是，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(méi)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顯示了在數據線(xiàn)上使用鉗位二極管的例子。

圖1：TVS二極管可以在數據線(xiàn)上提供ESD保護。這個(gè)例子展示了帶ESD保護功能的USB 2.0數據線(xiàn)。

當第一塊板沒(méi)有通過(guò)ESD一致性測試時(shí)，還會(huì )推出版本1和版本2。這次不再是“瞎猜了"?？蛻?hù)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，然后相當高興地認為這個(gè)器件可以保證他的系統可以抗±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(méi)有通過(guò)±15kV電壓的測試，雖然這時(shí)他發(fā)現用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: 數據線(xiàn)收發(fā)器IC

由于遭受了兩次電擊，這位工程師帶著(zhù)驚恐的心情求助于我們。隨著(zhù)我們對問(wèn)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(xiàn)上亂串的ESD瞬態(tài)信號不僅會(huì )危害到電路板上的通信器件，而且毫不夸張地說(shuō)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)推遲的設計另一端還有一位就要失去耐心的客戶(hù)，我們接管了這個(gè)問(wèn)題。他把電路板送到了我們的Semtech實(shí)驗室，明確希望我們保護這個(gè)產(chǎn)品免受ESD的傷害，繼而也保護他的信譽(yù)和工作。

然而，我們首先需要澄清的誤解是，TVS鉗位器件數據手冊上的±15kV額定值與他在PCB上想要達到的系統級保護閾值基本上沒(méi)有關(guān)系。那個(gè)額定值涉及的是TVS器件本身的故障閾值，但并不等同于系統要保證的抗干擾度。正如事實(shí)擺明的那樣，他的系統電路太敏感了，在滿(mǎn)足針對TVS器件的電容約束和尺寸要求條件下，很難達到±15kV的系統級抗干擾性能。

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(kāi)發(fā)周期非常吃緊的話(huà)，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鉗位器件對他的電路板進(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(zhù)的改進(jìn)，如下圖所示。

圖3：增加瞬態(tài)電壓抑制可以顯著(zhù)降低鉗位電壓，保護敏感的IC。Voltage: 電壓

TVS Clamping Response ( 8kV Contact Discharge): TVS鉗位響應( 8kV接觸放電)8kV Contact voltage waveform: 8kV接觸電壓波形No external TVS protection implemented: 沒(méi)有使用外部TVS保護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

他的系統現在可以輕松通過(guò)±8kV測試了(大多數情況下±8kV足夠了)。電路板仍然沒(méi)能通過(guò)±15kV接觸放電測試(擴展目標)，但比以前的結果要好多了。在此基礎上，為了進(jìn)一步提高系統的健壯性，我們在線(xiàn)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)設計后期階段，它提供了實(shí)現起來(lái)相對容易的修復手段。最終結果表明一切安好：穩健的產(chǎn)品，愉悅的最終用戶(hù)，高興的老板，以及更加深入理解ESD保護知識的工程師。正如他們說(shuō)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)設計中，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)現的任何ESD失誤。（文章來(lái)自電磁兼容之家）