微電子電路目前所面臨的風(fēng)險比以往任何時候都更加嚴(yán)峻，罪魁禍?zhǔn)拙褪庆o電放電(ESD)。這些禍害是隱形的殺手，特別喜歡攻擊敏感的IC。單次靜電放電事件就可能使PCB不保。抗靜電放電設(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(jìn)度以及激怒客戶。在某些高壓力的情況下，甚至意味著你的飯碗不保。
在尺寸不斷縮小的微電子時代，如果未能在ESD瞬變出現(xiàn)于
PCB設(shè)計走線之前有效抑制，那么ESD事件很可能毀了你的產(chǎn)品設(shè)計。
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。一位急得焦頭爛額幾乎就要發(fā)狂的客戶向我們尋求緊急援助，希望能夠保護(hù)他的系統(tǒng)免于遭到‘憤怒的’ESD瞬變傷害。這個可憐的工程師遭遇到一連串ESD故障的打擊，而使得他的產(chǎn)品規(guī)劃全泡了湯。他肯定是不小心弄錯了，或者漏掉了一些步驟。
首先，他沒有在任何I/O介面處建置保護(hù)鉗位元電路，也沒有為瞬態(tài)電壓抑制(TVS)鉗位元件放置PCB焊盤作為他需要保護(hù)的‘安全閥’措施。讓問題變得更加復(fù)雜的是，這種特殊產(chǎn)品上的I/O埠被連接到一些高速和非常敏感的通訊IC。因此，并沒有發(fā)生多少ESD事件，就使得這些電路板的通訊故障了。圖1顯示在數(shù)據(jù)線路上使用鉗位元二極體的例子。
圖1：TVS二極體可以在數(shù)據(jù)線路上提供ESD保護(hù)。圖中顯示帶ESD保護(hù)功能的USB 2.0數(shù)據(jù)線路。
當(dāng)?shù)谝粔K電路板未通過ESD一致性測試時，客戶持續(xù)推出了更新的版本1和版本2。但這次就有點無法再這樣‘瞎猜了’。這家客戶顯然找到了一個ESD額定電壓為±15kV的TVS鉗位管。他在電路板的一些I/O埠上放置了一些TVS，然后相當(dāng)興奮地認(rèn)為這個元件可以確保他的系統(tǒng)對抗±15kV的ESD沖擊。雖然這步棋的方向是正確的，但基本上他仍然看輕了ESD的威脅。雖然這時他發(fā)現(xiàn)用TVS可帶來一定程度的改善，但第二版電路仍然未通過±15kV電壓的測試。圖2展示TVS二極體如何‘鉗位’來自ESD脈沖的電壓。
圖2：鉗位二極體可以減少來自ESL脈沖的電壓，因而能有效防止電路受損。
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與了解，我真心感受到這位工程師的焦慮和恐懼。事實上，我對此有深切感受，在這位工程師的PCB設(shè)計走線上亂串的ESD瞬態(tài)訊號不僅會危害到電路板上的通訊元件，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)延遲的設(shè)計另一端還有一位即將失去耐心的客戶，我們馬上接手了這個問題。他把電路板送到了我們的Semtech實驗室，表明希望我們保護(hù)這個產(chǎn)品免于受到ESD的傷害，同時也保護(hù)他的公司信譽和工作。
然而，我們首先必須澄清的誤解是，TVS鉗位元件資料手冊上的±15kV額定值與他在PCB上想要達(dá)到的系統(tǒng)級保護(hù)閾值基本上沒有關(guān)系。那個額定值所指的是TVS元件本身的故障閾值，但并不等于系統(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元件的電容器限制和尺寸要求條件下，很難達(dá)到±15kV的系統(tǒng)級抗干擾要求。
此外，我要解釋的是，并不是所有的TVS元件生來都是一樣的。不同制造商生產(chǎn)的兩種TVS鉗位元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元件并不是一個好辦法。因此，我們必須用一些更新的高性能、低側(cè)鉗位元件對他的電路板進(jìn)行改造——讓這些元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總算有了顯著的改進(jìn)，如圖3所示。
圖3：增加瞬態(tài)電壓抑制可以顯著降低鉗位電壓，從而保護(hù)敏感的IC。
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已經(jīng)足夠)。電路板雖然仍然無法通過±15kV接觸放電測試(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)的強韌度，我們還在線路上增加了一個小的串聯(lián)電阻，它足以壓制殘馀的瞬態(tài)電流，但并不至于影響訊號性能。
雖然增加電阻并不是最理想的方法，但它確實提高了抗ESD性能，在這樣一個設(shè)計后期階段，它提供了更容易進(jìn)行的修復(fù)方法。最終結(jié)果顯示一切安好：穩(wěn)健的產(chǎn)品、愉悅的終端使用者、開心的老板以及更加深入理解ESD保護(hù)知識的工程師。正如他們說的那樣，“增加電阻帶來了四兩撥千斤的效果。”我猜想，在他的下一個設(shè)計中，他應(yīng)該會更加主動地去避免到了最后時刻才會發(fā)現(xiàn)的任何ESD失誤吧！
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