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PCB電路進(jìn)行抗靜電放電的設(shè)計思路分享

發(fā)布時間:2019-12-17 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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)。靜電放電是隱秘的殺手,特別容易攻擊敏感的 IC。單次靜電放電事件就可以將 PCB 摧毀??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(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(hù)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(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。
 
http://m.forexsooq.com/art/artinfo/id/80037314
圖 1:TVS 二極管可以在數(shù)據(jù)線上提供 ESD 保護(hù)。這個例子展示了帶 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(jìn)。圖 2 展示了 TVS 二極管如何“鉗位”來自 ESD 脈沖的電壓。
 
http://m.forexsooq.com/art/artinfo/id/80037314
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(hù)這個產(chǎn)品免受 ESD 的傷害,繼而也保護(hù)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(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(dá)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(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。
 
http://m.forexsooq.com/art/artinfo/id/80037314
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。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(hù) 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(jìn)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(hù)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。”我猜想在他的下一個設(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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