阻止靜電放電的原因

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)。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(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”?？蛻麸@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帶來了一定程度的改進(jìn)。圖2展示了TVS二極管如何“鉗位”來自ESD脈沖的電壓。

圖2：鉗位二極管可以減小來自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?！蔽也孪朐谒南乱粋€(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。


關(guān)于作者:

Timothy Puls是Semtech公司的產(chǎn)品營(yíng)銷工程師。