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功率技術/新能源  

為什麼應該抑制靜電放電?

上網時間: 2015年05月07日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ESD  靜電放電  I/O介面  鉗位元二極體  TVS 

作者:Timothy Puls,Semtech產品行銷工程師

微電子電路目前所面臨的風險比以往任何時候都更加嚴峻,罪魁禍首就是靜電放電(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。抗靜電放電設計只要錯失一步就可能意味著延誤上市時間、影響開發進度以及激怒客戶。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瞬變出現於PCB走線之前有效抑制,那麼ESD事件很可能毀了你的產品設計。

在寫這篇文章時,我剛好想起幾個月前發生的一件相當有趣的事。一位急得焦頭爛額幾乎就要發狂的客戶向我們尋求緊急援助,希望能夠保護他的系統免於遭到‘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,而使得他的產品規劃全泡了湯。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介面處建置保護鉗位元電路,也沒有為瞬態電壓抑制(TVS)鉗位元件放置PCB焊盤作為他需要保護的‘安全閥’措施。讓問題變得更加複雜的是,這種特殊產品上的I/O埠被連接到一些高速和非常敏感的通訊IC。因此,並沒有發生多少ESD事件,就使得這些電路板的通訊故障了。圖1顯示在數據線路上使用鉗位元二極體的例子。


圖1:TVS二極體可以在數據線路上提供ESD保護。圖中顯示帶ESD保護功能的USB 2.0數據線路。

當第一塊電路板未通過ESD一致性測試時,客戶持續推出了更新的版本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,然後相當興奮地認為這個元件可以確保他的系統對抗±15kV的ESD衝擊。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。雖然這時他發現用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脈衝的電壓。


圖2:鉗位二極體可以減少來自ESL脈衝的電壓,因而能有效防止電路受損。

由於遭受了兩次電擊,這位工程師帶著驚恐的心情求助於我們。隨著我們對問題的深入分析與瞭解,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走線上亂串的ESD瞬態訊號不僅會危害到電路板上的通訊元件,而且毫不誇張地說可能威脅到他的工作。他早就需要一個解決方案了。由於時間不等人,而且這個已經延遲的設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,表明希望我們保護這個產品免於受到ESD的傷害,同時也保護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上想要達到的系統級保護閾值基本上沒有關係。那個額定值所指的是TVS元件本身的故障閾值,但並不等於系統要保證的抗干擾度。正如事實擺明的那樣,他的系統電路太敏感了,在滿足針對TVS元件的電容器限制和尺寸要求條件下,很難達到±15kV的系統級抗干擾要求。

此外,我要解釋的是,並不是所有的TVS元件生來都是一樣的。不同製造商生產的兩種TVS鉗位元件的鉗位性能可能有很大的差別。如果產品開發週期非常吃緊的話,選擇便宜、山寨的TVS元件並不是一個好辦法。因此,我們必須用一些更新的高性能、低側鉗位元件對他的電路板進行改造——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,如圖3所示。


圖3:增加瞬態電壓抑制可以顯著降低鉗位電壓,從而保護敏感的IC。

他的系統現在可以輕鬆通過±8kV測試了(大多數情況下±8kV已經足夠)。電路板雖然仍然無法通過±15kV接觸放電測試(擴展目標),但比以前的結果要好多了。在此基礎上,為了進一步提高系統的強韌度,我們還在線路上增加了一個小的串聯電阻,它足以壓制殘餘的瞬態電流,但並不至於影響訊號性能。

雖然增加電阻並不是最理想的方法,但它確實提高了抗ESD性能,在這樣一個設計後期階段,它提供了更容易進行的修復方法。最終結果顯示一切安好:穩健的產品、愉悅的終端使用者、開心的老闆以及更加深入理解ESD保護知識的工程師。正如他們說的那樣,“增加電阻帶來了四兩撥千斤的效果。”我猜想,在他的下一個設計中,他應該會更加主動地去避免到了最後時刻才會發現的任何ESD失誤吧!

(參考原文:Why you should kill ESD?,by Timothy Puls)





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