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不想遭遇ESD瞬變傷害,立即阻止靜電放電!

發(fā)布時(shí)間:2015-05-21 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】網(wǎng)友日前吐槽,他的系統(tǒng)遭遇了憤怒的ESD瞬變傷害,被一些列抗ESD故障打擊的不行,產(chǎn)品規(guī)劃徹底泡湯。小編在這里提醒大家,不想遭遇ESD瞬變傷害,立即阻止靜電放電!

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。抗靜電放電設(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。

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。

不想遭遇ESD瞬變傷害,立即阻止靜電放電!
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。

不想遭遇ESD瞬變傷害,立即阻止靜電放電!
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
[page]
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。

不想遭遇ESD瞬變傷害,立即阻止靜電放電!
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。

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。”我猜想在他的下一個(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。

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