为(wèi)什(shén)麼(me)要(yào)防護静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)?

微電(diàn)子電(diàn)路(lù)面(miàn)臨的(de)风險比以(yǐ)往任何时(shí)候都大(dà)，罪魁禍首是(shì)静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)(ESD)。这(zhè)些禍害是(shì)隐秘的(de)殺手(shǒu)，特(tè)别容易攻擊敏感(gǎn)的(de)IC。單次(cì)静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)事(shì)件(jiàn)就(jiù)可(kě)以(yǐ)将PCB送入地(dì)獄。抗静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)設計(jì)只(zhī)要(yào)錯失一(yī)步就(jiù)可(kě)能(néng)意(yì)味着延誤上(shàng)市(shì)时(shí)間(jiān)、影響開(kāi)發(fà)進(jìn)度(dù)，以(yǐ)及(jí)激怒客戶。在(zài)某些高(gāo)壓力情(qíng)況下(xià)，甚至(zhì)意(yì)味着你的(de)飯碗(wǎn)不(bù)保。

在(zài)尺寸(cùn)不(bù)斷縮小的(de)微電(diàn)子时(shí)代(dài)，如(rú)果(guǒ)ESD瞬變(biàn)未加抑制地(dì)在(zài)PCB走(zǒu)線(xiàn)上(shàng)出(chū)現(xiàn)之(zhī)前(qián)你不(bù)去(qù)主動(dòng)地(dì)阻止它(tā)们(men)，那麼(me)ESD事(shì)件(jiàn)很可(kě)能(néng)毀了(le)你的(de)産品。

在(zài)写(xiě)这(zhè)篇(piān)文(wén)章(zhāng)时(shí)，我(wǒ)剛好(hǎo)想(xiǎng)起(qǐ)幾(jǐ)个月前(qián)發(fà)生(shēng)的(de)一(yī)件(jiàn)相當有(yǒu)趣的(de)事(shì)。一(yī)位(wèi)快(kuài)要(yào)發(fà)瘋了(le)的(de)客戶聯系(xì)我(wǒ)们(men)尋求紧急幫助，希望能(néng)够保護他(tā)的(de)系(xì)統免遭(zāo)“憤怒的(de)”ESD瞬變(biàn)傷害。这(zhè)个可(kě)憐的(de)家(jiā)夥遭(zāo)受了(le)一(yī)系(xì)列抗ESD故障的(de)打(dǎ)擊，並(bìng)使得他(tā)的(de)産品規劃(huà)全(quán)泡了(le)湯。他(tā)肯定(dìng)錯漏了(le)一(yī)些步驟。

首先(xiān)，他(tā)沒(méi)有(yǒu)在(zài)任何I/O接口(kǒu)處(chù)實(shí)現(xiàn)保護鉗位(wèi)電(diàn)路(lù)，也(yě)沒(méi)有(yǒu)为(wèi)TVS鉗位(wèi)器件(jiàn)放(fàng)置PCB焊盤作(zuò)为(wèi)他(tā)需要(yào)保護的(de)“安(ān)全(quán)閥”措施。使挑戰更(gèng)加複雜的(de)是(shì)，这(zhè)種(zhǒng)特(tè)殊産品上(shàng)的(de)I/O端口(kǒu)被(bèi)连接到(dào)了(le)一(yī)些高(gāo)速和(hé)非(fēi)常敏感(gǎn)的(de)通信(xìn)IC。並(bìng)沒(méi)有(yǒu)發(fà)生(shēng)多(duō)少(shǎo)ESD就(jiù)使得这(zhè)些電(diàn)路(lù)闆發(fà)生(shēng)了(le)通信(xìn)故障。图(tú)1顯示了(le)在(zài)數據(jù)線(xiàn)上(shàng)使用(yòng)鉗位(wèi)二极管(guǎn)的(de)例子。

图(tú)1：TVS二极管(guǎn)可(kě)以(yǐ)在(zài)數據(jù)線(xiàn)上(shàng)提(tí)供ESD保護。这(zhè)个例子展(zhǎn)示了(le)带ESD保護功能(néng)的(de)USB 2.0數據(jù)線(xiàn)。

當第(dì)一(yī)块(kuài)闆沒(méi)有(yǒu)通过(guò)ESD一(yī)致(zhì)性(xìng)測試时(shí)，還(huán)会(huì)推出(chū)版本(běn)1和(hé)版本(běn)2。这(zhè)次(cì)不(bù)再是(shì)“瞎猜了(le)”。客戶顯然找(zhǎo)到(dào)了(le)一(yī)个ESD额定(dìng)電(diàn)壓为(wèi)±15kV的(de)瞬态電(diàn)壓抑制(TVS)鉗位(wèi)管(guǎn)。他(tā)在(zài)電(diàn)路(lù)闆的(de)一(yī)些I/O端口(kǒu)上(shàng)布(bù)放(fàng)了(le)一(yī)些TVS，然後(hòu)相當高(gāo)興地(dì)認为(wèi)这(zhè)个器件(jiàn)可(kě)以(yǐ)保證他(tā)的(de)系(xì)統可(kě)以(yǐ)抗±15kV的(de)ESD冲擊。雖(suī)然这(zhè)步走(zǒu)的(de)方(fāng)向是(shì)正(zhèng)确的(de)，但他(tā)仍然從根(gēn)本(běn)上(shàng)誤解(jiě)了(le)ESD威脅。第(dì)二版電(diàn)路(lù)仍然沒(méi)有(yǒu)通过(guò)±15kV電(diàn)壓的(de)測試，雖(suī)然这(zhè)时(shí)他(tā)發(fà)現(xiàn)用(yòng)TVS带来(lái)了(le)一(yī)定(dìng)程度(dù)的(de)改進(jìn)。图(tú)2展(zhǎn)示了(le)TVS二极管(guǎn)如(rú)何“鉗位(wèi)”来(lái)自(zì)ESD脈冲的(de)電(diàn)壓。

图(tú)2：鉗位(wèi)二极管(guǎn)可(kě)以(yǐ)減小来(lái)自(zì)ESL脈冲的(de)電(diàn)壓，因(yīn)而(ér)能(néng)有(yǒu)效防止你的(de)電(diàn)路(lù)受到(dào)損壞。Transient Environment: 瞬态环(huán)境Transient voltage: 瞬态電(diàn)壓Transient current: 瞬态電(diàn)流Clamped voltage: 鉗位(wèi)電(diàn)壓TVS Diode: TVS二极管(guǎn)Data Line Transceiver IC: 數據(jù)線(xiàn)收(shōu)發(fà)器IC

由于(yú)遭(zāo)受了(le)两(liǎng)次(cì)電(diàn)擊，这(zhè)位(wèi)工程师带着驚恐的(de)心(xīn)情(qíng)求助于(yú)我(wǒ)们(men)。随着我(wǒ)们(men)对(duì)問(wèn)題(tí)的(de)深入分(fēn)析，我(wǒ)真(zhēn)切(qiè)感(gǎn)受到(dào)这(zhè)位(wèi)工程师的(de)焦慮和(hé)恐懼。事(shì)實(shí)上(shàng)，我(wǒ)有(yǒu)深切(qiè)的(de)感(gǎn)受，在(zài)这(zhè)位(wèi)工程师的(de)PCB走(zǒu)線(xiàn)上(shàng)亂串的(de)ESD瞬态信(xìn)号(hào)不(bù)仅会(huì)危害到(dào)電(diàn)路(lù)闆上(shàng)的(de)通信(xìn)器件(jiàn)，而(ér)且(qiě)毫(háo)不(bù)夸张(zhāng)地(dì)说可(kě)能(néng)威脅到(dào)他(tā)的(de)工作(zuò)。他(tā)早(zǎo)就(jiù)需要(yào)一(yī)个解(jiě)決方(fāng)案(àn)了(le)。由于(yú)时(shí)間(jiān)不(bù)等人(rén)，而(ér)且(qiě)这(zhè)个已經(jīng)推遲的(de)設計(jì)另(lìng)一(yī)端還(huán)有(yǒu)一(yī)位(wèi)就(jiù)要(yào)失去(qù)耐心(xīn)的(de)客戶，我(wǒ)们(men)接管(guǎn)了(le)这(zhè)个問(wèn)題(tí)。他(tā)把(bǎ)電(diàn)路(lù)闆送到(dào)了(le)我(wǒ)们(men)的(de)Semtech實(shí)验(yàn)室(shì)，明确希望我(wǒ)们(men)保護这(zhè)个産品免受ESD的(de)傷害，繼而(ér)也(yě)保護他(tā)的(de)信(xìn)譽和(hé)工作(zuò)。

然而(ér)，我(wǒ)们(men)首先(xiān)需要(yào)澄清(qīng)的(de)誤解(jiě)是(shì)，TVS鉗位(wèi)器件(jiàn)數據(jù)手(shǒu)册(cè)上(shàng)的(de)±15kV额定(dìng)值與(yǔ)他(tā)在(zài)PCB上(shàng)想(xiǎng)要(yào)达(dá)到(dào)的(de)系(xì)統級保護阈值基本(běn)上(shàng)沒(méi)有(yǒu)關(guān)系(xì)。那个额定(dìng)值涉及(jí)的(de)是(shì)TVS器件(jiàn)本(běn)身(shēn)的(de)故障阈值，但並(bìng)不(bù)等同(tóng)于(yú)系(xì)統要(yào)保證的(de)抗干擾度(dù)。正(zhèng)如(rú)事(shì)實(shí)擺明的(de)那樣(yàng)，他(tā)的(de)系(xì)統電(diàn)路(lù)太敏感(gǎn)了(le)，在(zài)滿足針(zhēn)对(duì)TVS器件(jiàn)的(de)電(diàn)容約束(shù)和(hé)尺寸(cùn)要(yào)求条(tiáo)件(jiàn)下(xià)，很難达(dá)到(dào)±15kV的(de)系(xì)統級抗干擾性(xìng)能(néng)。

此(cǐ)外(wài)我(wǒ)要(yào)解(jiě)釋的(de)是(shì)，並(bìng)不(bù)是(shì)所(suǒ)有(yǒu)TVS器件(jiàn)生(shēng)来(lái)都是(shì)一(yī)樣(yàng)的(de)。不(bù)同(tóng)制造商生(shēng)産的(de)两(liǎng)種(zhǒng)TVS鉗位(wèi)器件(jiàn)的(de)鉗位(wèi)性(xìng)能(néng)可(kě)能(néng)有(yǒu)很大(dà)的(de)差别。如(rú)果(guǒ)産品開(kāi)發(fà)周期(qī)非(fēi)常吃紧的(de)話(huà)，選择便宜、山(shān)寨的(de)TVS器件(jiàn)不(bù)是(shì)一(yī)个好(hǎo)的(de)策略。因(yīn)此(cǐ)，我(wǒ)们(men)用(yòng)一(yī)些更(gèng)新(xīn)的(de)高(gāo)性(xìng)能(néng)低(dī)側鉗位(wèi)器件(jiàn)对(duì)他(tā)的(de)電(diàn)路(lù)闆進(jìn)行了(le)改造——这(zhè)些器件(jiàn)可(kě)以(yǐ)抑制很高(gāo)的(de)峰(fēng)值電(diàn)流。这(zhè)樣(yàng)，这(zhè)块(kuài)電(diàn)路(lù)闆的(de)抗干擾性(xìng)能(néng)有(yǒu)了(le)顯著的(de)改進(jìn)，如(rú)下(xià)图(tú)所(suǒ)示。

图(tú)3：增加瞬态電(diàn)壓抑制可(kě)以(yǐ)顯著降低(dī)鉗位(wèi)電(diàn)壓，保護敏感(gǎn)的(de)IC。Voltage: 電(diàn)壓

TVS Clamping Response ( 8kV Contact Discharge): TVS鉗位(wèi)響应( 8kV接觸放(fàng)電(diàn))8kV Contact voltage waveform: 8kV接觸電(diàn)壓波(bō)形No external TVS protection implemented: 沒(méi)有(yǒu)使用(yòng)外(wài)部(bù)TVS保護Clamped ESD voltage( 8kV contact) with Semtech RClamp0531TQ TVS: 使用(yòng)Semtech RClamp0531TQ TVS的(de)鉗位(wèi)ESD電(diàn)壓( 8kV接觸電(diàn)壓)Time: 时(shí)間(jiān)

他(tā)的(de)系(xì)統現(xiàn)在(zài)可(kě)以(yǐ)輕(qīng)松通过(guò)±8kV測試了(le)(大(dà)多(duō)數情(qíng)況下(xià)±8kV足够了(le))。電(diàn)路(lù)闆仍然沒(méi)能(néng)通过(guò)±15kV接觸放(fàng)電(diàn)測試(擴展(zhǎn)目标(biāo))，但比以(yǐ)前(qián)的(de)結果(guǒ)要(yào)好(hǎo)多(duō)了(le)。在(zài)此(cǐ)基礎上(shàng)，为(wèi)了(le)進(jìn)一(yī)步提(tí)高(gāo)系(xì)統的(de)健壯性(xìng)，我(wǒ)们(men)在(zài)線(xiàn)路(lù)上(shàng)增加了(le)一(yī)个小的(de)串聯電(diàn)阻，它(tā)足以(yǐ)壓制殘餘的(de)瞬态電(diàn)流，但還(huán)不(bù)足以(yǐ)影響信(xìn)号(hào)性(xìng)能(néng)。

雖(suī)然增加電(diàn)阻並(bìng)不(bù)是(shì)最(zuì)理(lǐ)想(xiǎng)的(de)方(fāng)案(àn)，但它(tā)确實(shí)提(tí)高(gāo)了(le)抗ESD性(xìng)能(néng)，在(zài)这(zhè)樣(yàng)一(yī)个設計(jì)後(hòu)期(qī)阶段(duàn)，它(tā)提(tí)供了(le)實(shí)現(xiàn)起(qǐ)来(lái)相对(duì)容易的(de)修複手(shǒu)段(duàn)。最(zuì)終(zhōng)結果(guǒ)表(biǎo)明一(yī)切(qiè)安(ān)好(hǎo)：穩健的(de)産品，愉悅的(de)最(zuì)終(zhōng)用(yòng)戶，高(gāo)興的(de)老(lǎo)闆，以(yǐ)及(jí)更(gèng)加深入理(lǐ)解(jiě)ESD保護知識的(de)工程师。正(zhèng)如(rú)他(tā)们(men)说的(de)那樣(yàng)，“增加電(diàn)阻起(qǐ)到(dào)了(le)四(sì)两(liǎng)撥千(qiān)斤(jīn)的(de)效果(guǒ)。”我(wǒ)猜想(xiǎng)在(zài)他(tā)的(de)下(xià)一(yī)个設計(jì)中，我(wǒ)们(men)的(de)朋友会(huì)更(gèng)加主動(dòng)地(dì)去(qù)避免最(zuì)後(hòu)时(shí)刻(kè)才会(huì)發(fà)現(xiàn)的(de)任何ESD失誤。