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為什么要防護(hù)靜電放電?

點(diǎn)擊次數(shù):403 更新時(shí)間:2024-11-15

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?/span>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(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。

在寫這篇文章時(shí),我剛好想起幾個(gè)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(gè)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(cuò)漏了一些步驟。

首先,他沒(méi)有在任何I/O接口處實(shí)現(xiàn)保護(hù)鉗位電路,也沒(méi)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(méi)有發(fā)生多少ESD就使得這些電路板發(fā)生了通信故障

當(dāng)?shù)谝粔K板沒(méi)有通過(guò)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"。客戶顯然找到了一個(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±15kVESD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(méi)有通過(guò)±15kV電壓的測(cè)試,雖然這時(shí)他發(fā)現(xiàn)用TVS帶來(lái)了一定程度的改進(jìn)。

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(wèn)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(shuō)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(wèn)題。他把電路板送到了我們的實(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(méi)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(lái)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)

他的系統(tǒng)現(xiàn)在可以輕松通過(guò)±8kV測(cè)試了(大多數(shù)情況下±8kV足夠了)。電路板仍然沒(méi)能通過(guò)±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(lái)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(shuō)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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