為什麽（me）要防護靜電放電?

微電子電（diàn）路麵臨的（de）風險比（bǐ）以往任何（hé）時候都大，罪魁禍首是靜電放電(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。抗靜電放電設計隻要錯（cuò）失一步（bù）就可能意味著（zhe）延誤上市時間、影響（xiǎng）開（kāi）發（fā）進度，以及激怒客戶。在某些高壓力情況下，甚至意味著（zhe）你的飯碗（wǎn）不保。

在尺寸不斷縮小的微（wēi）電子時代，如果ESD瞬變未加抑製地在PCB走（zǒu）線上出現之前你不去主動地（dì）阻止（zhǐ）它們，那麽ESD事件很可能毀（huǐ）了你的產品。

在寫（xiě）這篇（piān）文章時，我剛好想（xiǎng）起幾（jǐ）個月前發生的一件相當有趣的事。一位（wèi）快要發瘋了的客戶聯係（xì）我們尋求緊（jǐn）急幫助，希望能夠（gòu）保護他的係統免遭“憤怒的"ESD瞬變傷害。這個可憐的家夥遭受了（le）一係列抗ESD故障的打擊，並使得他的產品（pǐn）規劃全泡（pào）了湯。他肯定（dìng）錯漏了一些步驟。

首先，他沒有在任何I/O接口處實現保護鉗位電路，也沒有為（wéi）TVS鉗位器件（jiàn）放置PCB焊盤作為他（tā）需要保護的“安全閥（fá）"措施。使挑戰更（gèng）加複雜的是，這（zhè）種特殊產品上的I/O端口被連接到（dào）了一些高速和非常敏感的通信IC。並沒有發生多少ESD就使（shǐ）得這些電路板（bǎn）發生了通信故障。圖1顯示（shì）了在（zài）數（shù）據線上使用鉗位二（èr）極管的例子。

圖（tú）1：TVS二極管可以在數據線上提供ESD保（bǎo）護。這個例子展示了帶ESD保護功能的USB 2.0數據線。

當第一塊板沒有通過ESD一致性測（cè）試（shì）時，還會推（tuī）出版（bǎn）本1和版本2。這（zhè）次不再是（shì）“瞎猜（cāi）了"。客（kè）戶顯然找到了一個ESD額定電壓為±15kV的瞬（shùn）態電壓抑（yì）製(TVS)鉗位管（guǎn）。他在電路板的一些I/O端口（kǒu）上布放了一些TVS，然（rán）後相當（dāng）高（gāo）興（xìng）地認（rèn）為（wéi）這個器件可以保證他的係統可以（yǐ）抗±15kV的ESD衝擊。雖然這步走的方向是正（zhèng）確的，但他仍然從根本上誤解了ESD威脅（xié）。第二版電路仍然沒有通（tōng）過±15kV電壓的測試，雖然這時他發現（xiàn）用TVS帶來了一定程度的改進。圖（tú）2展示了（le）TVS二極管如何“鉗位"來自（zì）ESD脈衝的電壓。

圖（tú）2：鉗位二極管可以減小來自ESL脈（mò）衝的電壓，因（yīn）而（ér）能有效防（fáng）止你（nǐ）的（de）電路受（shòu）到損壞。Transient Environment: 瞬態環境Transient voltage: 瞬態電壓Transient current: 瞬態電流Clamped voltage: 鉗位電（diàn）壓TVS Diode: TVS二極管（guǎn）Data Line Transceiver IC: 數（shù）據線收發器IC

由於遭受（shòu）了兩次電擊，這（zhè）位（wèi）工程師帶著驚恐（kǒng）的心情求（qiú）助於（yú）我們。隨（suí）著我們對問題的（de）深入分析（xī），我真（zhēn）切感受到（dào）這位工程師（shī）的焦慮和恐懼（jù）。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瞬態信號不（bú）僅會危害（hài）到（dào）電路板（bǎn）上的通信器件，而且毫不誇張地說可能威脅（xié）到他的工作。他早就需要一個解決方案了。由於時間不等人，而且這個已經推遲的設計另一端還有一位就要失去耐心的客戶，我們（men）接管（guǎn）了這個（gè）問題（tí）。他把電路板送到了我們的Semtech實驗室（shì），明確希望我們保護這個產品免受ESD的傷害，繼而也保護他（tā）的信譽和工作。

然而，我們首先需要（yào）澄清的誤解是（shì），TVS鉗位器件數據手冊上（shàng）的±15kV額定值（zhí）與他在PCB上想要達到的係（xì）統級保護閾值（zhí）基本上沒有關係。那個額定值涉及的是TVS器件本身（shēn）的故障閾值，但並不等同於係統要保證的抗幹擾度。正如事實擺明的那樣，他的係統（tǒng）電路太敏感了，在滿足針（zhēn）對TVS器件的電容約（yuē）束和尺寸（cùn）要求條件下，很難達到±15kV的係統（tǒng）級抗幹擾性能。

此外我（wǒ）要解釋的是，並不是所（suǒ）有TVS器件生來都是一樣的。不同製造商生產的兩種TVS鉗位器件的鉗位性能可能有很大的（de）差別。如果產品開發周期非常吃緊的話，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（dī）側鉗位器件對他的電路板進行了改造（zào）——這些器件可以抑製很高的峰（fēng）值（zhí）電流（liú）。這樣，這塊電路板的抗幹擾性能有了顯著的改進，如下圖所示。

圖3：增（zēng）加瞬（shùn）態電壓抑（yì）製可以（yǐ）顯著降低鉗位電壓，保護敏感的IC。Voltage: 電壓

TVS Clamping Response ( 8kV Contact Discharge): TVS鉗位響應( 8kV接觸放（fàng）電)8kV Contact voltage waveform: 8kV接觸電壓波（bō）形No external TVS protection implemented: 沒有使用外部（bù）TVS保護Clamped ESD voltage( 8kV contact) with Semtech RClamp0531TQ TVS: 使（shǐ）用Semtech RClamp0531TQ TVS的鉗位ESD電壓( 8kV接觸電壓)Time: 時間

他的係統現在可以輕鬆通過±8kV測試（shì）了(大多數（shù）情況下±8kV足夠了)。電路板仍然沒能通過±15kV接（jiē）觸放電測試(擴（kuò）展目標)，但比以前的結果要好多了（le）。在（zài）此基礎上（shàng），為了進一步提高係統的健壯性，我們在線路上增加了一個小的串（chuàn）聯（lián）電阻，它（tā）足以壓製殘餘的瞬態電流，但（dàn）還不足以影響（xiǎng）信（xìn）號性能。

雖然增加電阻並（bìng）不是最（）理（想的方案，但它確實提高了抗（kàng）ESD性能，在這（zhè）樣一個設計後期階（jiē）段，它提供了（le）實現起來相對容易的修複手段。最終結果表明一（yī）切安好：穩健（jiàn）的產品，愉悅的最終用戶，高興的老板，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，“增加電阻起到了四兩撥千斤的效果。"我猜想在他的下一（yī）個設計中，我們的朋友會更加主動（dòng）地去避免最後時（shí）刻才（cái）會發現的（de）任何ESD失誤。（文（wén）章（zhāng）來（lái）自電磁（cí）兼容之家）