【導读(dú)】在(zài)尺(chǐ)寸(cùn)不(bù)斷縮小的(de)微電(diàn)子时(shí)代，如果(guǒ)静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)(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)前你不(bù)去(qù)主(zhǔ)動(dòng)地(dì)阻止它(tā)们(men)，那(nà)麼(me)ESD事(shì)件很可(kě)能(néng)毀了(le)你的(de)産品。
微電(diàn)子電(diàn)路(lù)面(miàn)臨的(de)風(fēng)险比以(yǐ)往任何时(shí)候都大，罪魁禍首是静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)(ESD)。静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)是隐秘的(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)件就(jiù)可(kě)以(yǐ)将PCB摧毀。抗静(jìng)電(diàn)放(fàng)電(diàn)設计只(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(xiē)高(gāo)壓力情(qíng)況下(xià)，甚至(zhì)意(yì)味着你的(de)飯碗不(bù)保。
在(zài)尺(chǐ)寸(cùn)不(bù)斷縮小的(de)微電(diàn)子时(shí)代，如果(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)前你不(bù)去(qù)主(zhǔ)動(dòng)地(dì)阻止它(tā)们(men)，那(nà)麼(me)ESD事(shì)件很可(kě)能(néng)毀了(le)你的(de)産品。
幾(jǐ)个(gè)月(yuè)前，一(yī)位(wèi)客戶聯系(xì)我(wǒ)们(men)寻求緊急幫助，希望能(néng)夠保護他(tā)的(de)系(xì)統免遭(zāo)ESD瞬變(biàn)傷害。他(tā)们(men)的(de)産品遭(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(xiē)步驟。
首先(xiān)，他(tā)沒(méi)有(yǒu)在(zài)任何I/O接口处實(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。使挑战更(gèng)加複雜的(de)是，这(zhè)種(zhǒng)特(tè)殊産品上(shàng)的(de)I/O端口被(bèi)連(lián)接到(dào)了(le)一(yī)些(xiē)高(gāo)速和(hé)非(fēi)常敏感(gǎn)的(de)通(tòng)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(xiē)電(diàn)路(lù)闆發(fà)生(shēng)了(le)通(tòng)信(xìn)故障。图(tú)1顯示了(le)在(zài)數據(jù)線(xiàn)上(shàng)使用鉗位(wèi)二极管的(de)例子。
图(tú)1：TVS二极管可(kě)以(yǐ)在(zài)數據(jù)線(xiàn)上(shàng)提(tí)供ESD保護。这(zhè)个(gè)例子展示了(le)带(dài)ESD保護功能(néng)的(de)USB 2.0數據(jù)線(xiàn)。
当第一(yī)块(kuài)闆沒(méi)有(yǒu)通(tòng)过ESD一(yī)致(zhì)性(xìng)测試时(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“瞎猜了(le)”。客戶顯然找到(dào)了(le)一(yī)个(gè)ESD額定(dìng)電(diàn)壓为(wèi)±15kV的(de)瞬态電(diàn)壓抑制(TVS)鉗位(wèi)管。他(tā)在(zài)電(diàn)路(lù)闆的(de)一(yī)些(xiē)I/O端口上(shàng)布(bù)放(fàng)了(le)一(yī)些(xiē)TVS，然後(hòu)相当高(gāo)興地(dì)認为(wèi)这(zhè)个(gè)器件可(kě)以(yǐ)保證他(tā)的(de)系(xì)統可(kě)以(yǐ)抗±15kV的(de)ESD沖擊。雖(suī)然这(zhè)步走(zǒu)的(de)方(fāng)向(xiàng)是正(zhèng)确的(de)，但他(tā)仍然從根(gēn)本(běn)上(shàng)誤解(jiě)了(le)ESD威脅。第二版電(diàn)路(lù)仍然沒(méi)有(yǒu)通(tòng)过±15kV電(diàn)壓的(de)测試，雖(suī)然这(zhè)时(shí)他(tā)發(fà)現(xiàn)用TVS带(dài)来(lái)了(le)一(yī)定(dìng)程度(dù)的(de)改進(jìn)。图(tú)2展示了(le)TVS二极管如何“鉗位(wèi)”来(lái)自(zì)ESD脈沖的(de)電(diàn)壓。
图(tú)2：鉗位(wèi)二极管可(kě)以(yǐ)減小来(lái)自(zì)ESL脈沖的(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Data Line Transceiver IC: 數據(jù)線(xiàn)收(shōu)發(fà)器IC
由(yóu)于(yú)遭(zāo)受了(le)两(liǎng)次(cì)電(diàn)擊，这(zhè)位(wèi)工程师(shī)带(dài)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(rù)分(fēn)析，我(wǒ)真(zhēn)切(qiè)感(gǎn)受到(dào)这(zhè)位(wèi)工程师(shī)的(de)焦虑和(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(shī)的(de)PCB走(zǒu)線(xiàn)上(shàng)亂串的(de)ESD瞬态信(xìn)号(hào)不(bù)僅会(huì)危害到(dào)電(diàn)路(lù)闆上(shàng)的(de)通(tòng)信(xìn)器件，而(ér)且(qiě)毫(háo)不(bù)夸张(zhāng)地(dì)说(shuō)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(gè)解(jiě)決方(fāng)案(àn)了(le)。由(yóu)于(yú)时(shí)間(jiān)不(bù)等人(rén)，而(ér)且(qiě)这(zhè)个(gè)已經(jīng)推遲的(de)設计另(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)接管了(le)这(zhè)个(gè)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(míng)确希望我(wǒ)们(men)保護这(zhè)个(gè)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，TVS鉗位(wèi)器件數據(jù)手(shǒu)册(cè)上(shàng)的(de)±15kV額定(dìng)值与他(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(nà)个(gè)額定(dìng)值涉及(jí)的(de)是TVS器件本(běn)身的(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(gàn)擾度(dù)。正(zhèng)如事(shì)實(shí)擺明(míng)的(de)那(nà)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器件的(de)電(diàn)容約束(shù)和(hé)尺(chǐ)寸(cùn)要(yào)求条(tiáo)件下(xià)，很難达(dá)到(dào)±15kV的(de)系(xì)統級抗干(gàn)擾性(xìng)能(néng)。
此(cǐ)外(wài)我(wǒ)要(yào)解(jiě)釋的(de)是，並(bìng)不(bù)是所(suǒ)有(yǒu)TVS器件生(shēng)来(lái)都是一(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)器件的(de)鉗位(wèi)性(xìng)能(néng)可(kě)能(néng)有(yǒu)很大的(de)差别。如果(guǒ)産品開(kāi)發(fà)周期(qī)非(fēi)常吃緊的(de)話(huà)，選擇便宜、山(shān)寨的(de)TVS器件不(bù)是一(yī)个(gè)好(hǎo)的(de)策略。因(yīn)此(cǐ)，我(wǒ)们(men)用一(yī)些(xiē)更(gèng)新(xīn)的(de)高(gāo)性(xìng)能(néng)低(dī)侧鉗位(wèi)器件对(duì)他(tā)的(de)電(diàn)路(lù)闆進(jìn)行了(le)改造——这(zhè)些(xiē)器件可(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(gàn)擾性(xìng)能(néng)有(yǒu)了(le)顯著的(de)改進(jìn)，如下(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)響應(yìng)( 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)使用外(wài)部(bù)TVS保護Clamped ESD voltage( 8kV contact) with Semtech RClamp0531TQ TVS: 使用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(tòng)过±8kV测試了(le)(大多(duō)數情(qíng)況下(xià)±8kV足夠了(le))。電(diàn)路(lù)闆仍然沒(méi)能(néng)通(tòng)过±15kV接觸放(fàng)電(diàn)测試(擴展目标(biāo))，但比以(yǐ)前的(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(gè)小的(de)串聯電(diàn)阻，它(tā)足以(yǐ)壓制殘余的(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(gè)設计後(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)表明(míng)一(yī)切(qiè)安(ān)好(hǎo)：穩健的(de)産品，愉悅的(de)最(zuì)終(zhōng)用戶，高(gāo)興的(de)老(lǎo)闆，以(yǐ)及(jí)更(gèng)加深入(rù)理(lǐ)解(jiě)ESD保護知識的(de)工程师(shī)。正(zhèng)如他(tā)们(men)说(shuō)的(de)那(nà)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(gè)設计中(zhōng)，我(wǒ)们(men)的(de)朋友会(huì)更(gèng)加主(zhǔ)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。
