微電子電路面臨的風(fēng)險比以往任何時候都大，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)計只要錯失一步就可能意味著延誤上市時間、影響開發(fā)進度，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，我剛好想起幾個月前發(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，希望能夠保護他的系統(tǒng)免遭“憤怒的”ESD瞬變傷害。這個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。他肯定錯漏了一些步驟。
首先，他沒有在任何I/O接口處實現(xiàn)保護鉗位電路，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。
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圖1：TVS二極管可以在數(shù)據(jù)線上提供ESD保護。展示了帶ESD保護功能的USB 2.0數(shù)據(jù)線。
當(dāng)?shù)谝粔K板沒有通過ESD一致性測試時，還會推出版本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電壓的測試，雖然這時他發(fā)現(xiàn)用TVS帶來了一定程度的改進。圖2展示了TVS二極管如何“鉗位”來自ESD脈沖的電壓。
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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)信號不僅會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。他早就需要一個解決方案了。由于時間不等人，而且這個已經(jīng)推遲的設(shè)計另一端還有一位就要失去耐心的客戶，我們接管了這個問題。他把電路板送到了我們的Semtech實驗室，明確希望我們保護這個產(chǎn)品免受ESD的傷害，繼而也保護他的信譽和工作。
然而，我們首先需要澄清的誤解是，TVS鉗位器件數(shù)據(jù)手冊上的±15kV額定值與他在PCB上想要達到的系統(tǒng)級保護閾值基本上沒有關(guān)系。那個額定值涉及的是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。正如事實擺明的那樣，他的系統(tǒng)電路太敏感了，在滿足針對TVS器件的電容約束和尺寸要求條件下，很難達到±15kV的系統(tǒng)級抗干擾性能。
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)鉗位器件對他的電路板進行了改造??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，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
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: 時間
他的系統(tǒng)現(xiàn)在可以輕松通過±8kV測試了(大多數(shù)情況下±8kV足夠了)。電路板仍然沒能通過±15kV接觸放電測試(擴展目標(biāo))，但比以前的結(jié)果要好多了。在此基礎(chǔ)上，為了進一步提高系統(tǒng)的健壯性，我們在線路上增加了一個小的串聯(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，但它確實提高了抗ESD性能，在這樣一個設(shè)計后期階段，它提供了實現(xiàn)起來相對容易的修復(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保護知識的工程師。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€設(shè)計中，我們的朋友會更加主動地去避免最后時刻才會發(fā)現(xiàn)的任何ESD失誤。
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