為（wéi）什麽要防護靜電放（fàng）電?

微電子電路麵臨的風險比以（yǐ）往任何時候都大，罪魁禍首是靜電放電(ESD)。這些禍害（hài）是隱秘的殺手，特別容易（yì）攻擊敏感的IC。單次靜電放電事件就可以將（jiāng）PCB送入（rù）地獄。抗（kàng）靜電放電設計隻要（yào）錯失一步就可（kě）能意味著延（yán）誤上市時（shí）間、影（yǐng）響開發進度，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（bú）斷縮小（xiǎo）的微電（diàn）子時代（dài），如果ESD瞬（shùn）變未加抑製地在PCB走線上出現之前你不去主動（dòng）地阻（zǔ）止它們，那麽ESD事件很可能毀了你的產品。

在寫這篇文章時，我（wǒ）剛好想起幾個（gè）月前發（fā）生的一件相當有趣的事。一位快要發瘋了的客戶（hù）聯係我們尋求緊急（jí）幫助，希望能夠保護他的係統免遭“憤怒的"ESD瞬變傷害。這個可憐的家夥（huǒ）遭受了一係（xì）列抗ESD故障的打擊，並使得他的產品規劃全泡了湯。他肯定錯（cuò）漏了一些步驟。

首先，他沒有在任何I/O接口處（chù）實現保護鉗位電路，也沒有為TVS鉗位器件放置PCB焊盤作為他需（xū）要保護的“安全閥"措施。使挑戰更加複（fù）雜的是，這種特（tè）殊產品上的I/O端（duān）口被（bèi）連接到了一些高速和非常敏感（gǎn）的通信IC。並沒有發生（shēng）多少ESD就使得這些電路（lù）板發生了通（tōng）信故障（zhàng）。圖1顯示了在（zài）數據（jù）線上使用鉗位二極管的例（lì）子（zǐ）。

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

當第一（yī）塊板沒有通過（guò）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"。客戶顯然找到了一個ESD額（é）定電壓為±15kV的（de）瞬態電壓抑（yì）製(TVS)鉗（qián）位（wèi）管。他在電路板的一些I/O端口上（shàng）布放了一些TVS，然後相當高興地認為這個器件可以保證他的係統可以抗±15kV的ESD衝（chōng）擊。雖然這步走的方向是正確的，但（dàn）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（yā）的測試，雖然這時他發現用TVS帶（dài）來了一定程（chéng）度的改進。圖2展示了TVS二極管如何“鉗位"來自ESD脈衝（chōng）的電壓。

圖2：鉗位二極管（guǎn）可以減小來自ESL脈衝的電壓，因而能（néng）有效防止你的電路受到損壞。Transient Environment: 瞬態（tài）環境Transient voltage: 瞬態電壓Transient current: 瞬態電流Clamped voltage: 鉗位電壓TVS Diode: TVS二極管Data Line Transceiver IC: 數據線收發器IC

由於遭受了兩（liǎng）次電擊，這位工程師帶著驚恐（kǒng）的心情求助於我們。隨著（zhe）我們對問題的深（shēn）入分析，我真切感受到這位工程師的焦慮和恐（kǒng）懼。事實上，我（wǒ）有深切的感（gǎn）受，在這位工程師的PCB走線上亂（luàn）串的ESD瞬態信號不僅會危（wēi）害到電路板上的通信器件，而且（qiě）毫不誇張地說可能（néng）威脅到他的工作。他早（zǎo）就需要（yào）一個解決方（fāng）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（wèi）就要（yào）失去耐心（xīn）的客戶，我（wǒ）們接管了這個問題。他把（bǎ）電路板送到了我們的Semtech實驗室，明確希望我們保護這個產品免受（shòu）ESD的傷害，繼而也保護他的信譽和工作（zuò）。

然而，我們首先需要澄清（qīng）的誤解是，TVS鉗位器（qì）件數據手（shǒu）冊上的±15kV額（é）定值（zhí）與他在PCB上想要達到的係（xì）統級保護閾值基本上沒有關係。那個額定值涉（shè）及的（de）是TVS器件本身的故障閾值，但並不等同於係統要保證的抗幹擾度。正如事實（shí）擺明的（de）那（nà）樣，他的係統電路太敏感了，在滿足針對（duì）TVS器件的電容約束和尺寸要求條件下，很難達到±15kV的（de）係統級抗幹擾性能。

此外我要解釋的是，並不是（shì）所有TVS器件生來都是一樣的。不同製造商生產的兩種TVS鉗位器（qì）件的鉗位性能可能有很大的差別。如（rú）果產品開發周期非（fēi）常吃緊的話，選擇便宜、山.寨的TVS器（qì）件不是一個好的策略。因此，我們用（yòng）一些（xiē）更新的高性能低側鉗位器件對他的電路板進行了改（gǎi）造（zào）——這些器件可以抑製很（hěn）高的峰值電流。這樣，這塊電（diàn）路（lù）板的抗幹擾性能有了顯著的改進，如下圖所示。

圖3：增加瞬態電壓抑製可以顯著降低鉗位電壓，保護敏感的IC。Voltage: 電壓

TVS Clamping Response ( 8kV Contact Discharge): TVS鉗位（wèi）響應( 8kV接觸放（fàng）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Clamped ESD voltage( 8kV contact) with Semtech RClamp0531TQ TVS: 使用Semtech RClamp0531TQ TVS的鉗位ESD電（diàn）壓（yā）( 8kV接觸電壓)Time: 時間

他的係統現在可（kě）以輕鬆通過±8kV測試了(大多數（shù）情況下±8kV足夠了)。電路板仍然（rán）沒能通過±15kV接觸放電測試（shì）(擴展目標)，但比以前的結果要好多了。在此基礎上，為了進一步提高係統的健壯（zhuàng）性，我們在線（xiàn）路上（shàng）增加了一個小的串聯電阻，它足以壓製殘餘的瞬態電流，但還不足以影響信號性能。

雖然增加電阻並不是最（）理（lǐ）（想的（de）方案，但它確實提高了抗ESD性（xìng）能，在這樣一個設計後期階段（duàn），它提（tí）供了實現起來相對容易的修複手段（duàn）。最終（zhōng）結果表明一切安（ān）好：穩健的產品，愉悅（yuè）的最終用（yòng）戶，高興的老板，以及更加深入（rù）理解ESD保（bǎo）護知識的工程師。正如他們（men）說的那樣，“增加電（diàn）阻起到了四兩撥千斤的效果。"我猜想（xiǎng）在他的下一個設計中，我們的朋友（yǒu）會更加主（zhǔ）動地去避免最後時刻才會發現的任何ESD失誤。（文章來自電磁兼（jiān）容之家）