電磁兼容ESD問題的解決小措施分享
更新時間：2025-02-21 點擊（jī）次數（shù）：880
微（wēi）電子電路麵臨的風險比（bǐ）以往（wǎng）任何時（shí）候都大，罪魁禍首是（shì）靜電放電(ESD)。靜電（diàn）放電是隱秘（mì）的（de）殺手，特別容易攻擊敏感的IC。單次靜電放電事（shì）件就可以將PCB摧毀。抗靜電放電設計隻要錯失一步就可能意味著延誤上市時間、影響開發進（jìn）度，以及（jí）激（jī）怒客戶。在某些高壓力情況下，甚至意味（wèi）著（zhe）你的飯碗不保。在尺寸不斷縮小的微電子時代（dài），如果ESD瞬變未加（jiā）抑製地（dì）在PCB走線上出現之前你不去（qù）主動地阻止它們（men），那麽ESD事件很可能毀了你的產品。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。一位快要（yào）發瘋了（le）的客戶聯係我們尋（xún）求緊急幫（bāng）助，希望能夠保（bǎo）護他的係統免遭“憤怒（nù）的"ESD瞬變傷害。這個可憐的家夥遭受了一係（xì）列抗ESD故障的打擊，並使得他的產品規劃全泡了湯。他肯定錯漏了一些步驟（zhòu）。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TVS鉗位器件放置PCB焊盤作為他需要保護的“安全閥（fá）"措施（shī）。使挑戰更加複雜的是，這種特殊產品上的I/O端口被（bèi）連接到了一些高速（sù）和（hé）非常敏（mǐn）感（gǎn）的通信IC。並沒有（yǒu）發生多少ESD就使得（dé）這些（xiē）電（diàn）路板發生了通信故障。圖1顯示了在數（shù）據線上使用鉗位（wèi）二極（jí）管的例子。圖1：TVS二極管可以在數據線上提供ESD保護。這個例子展示了帶（dài）ESD保護功能的USB 2.0數據線。當第一塊板沒有通過ESD一致性測試時，還會推出版本1和版本2。這次（cì）不再是“瞎（xiā）猜了"。客戶顯然找到了一個ESD額定電（diàn）壓為±15kV的瞬態電壓抑製（zhì）(TVS)鉗位管。他在電路板的一些I/O端口上布放了一些TVS，然後相當高興地認為這個器件可以（yǐ）保證他的（de）係統可以抗±15kV的（de）ESD衝擊。雖然這步走的方向是正確（què）的，但（dàn）他仍然（rán）從根本上誤解了ESD威脅。第二版電路仍然沒有通（tōng）過±15kV電壓的測（cè）試，雖然這時他發現用TVS帶來了一定程度的改進。圖2展示了TVS二極（jí）管如何“鉗位"來自ESD脈衝的電壓。圖2：鉗位二極管可（kě）以減小來自ESL脈衝的電壓，因（yīn）而能有效防止你（nǐ）的電路（lù）受到（dào）損壞。Transient Environment: 瞬態（tài）環境Transient voltage: 瞬態電壓Transient current: 瞬（shùn）態（tài）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（yóu）於遭受（shòu）了兩次電擊，這位工程師帶著驚恐（kǒng）的心情求助（zhù）於我們。隨著我們對問題的深入分析，我真切感受（shòu）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（zǒu）線上亂串的ESD瞬態信號不僅會危害到電路板上（shàng）的（de）通信器（qì）件，而且毫不（bú）誇張地說可能威脅到他的工作。他早就需要一（yī）個解決（jué）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，我們接管了這個問題。他把電路板送（sòng）到了我們的Semtech實驗室，明確（què）希望我們保護這個產品免受ESD的（de）傷害，繼而也保護他的信譽和工作（zuò）。然而，我們（men）首先（xiān）需要澄清的誤解是，TVS鉗位器（qì）件數據手冊上的±15kV額定（dìng）值與他（tā）在PCB上想（xiǎng）要（yào）達到的係統級保（bǎo）護閾值基本上沒有關係。那個額定（dìng）值涉及的是TVS器件（jiàn）本（běn）身的故障閾值，但並不等同於係統要保（bǎo）證的抗（kàng）幹（gàn）擾度。正如事實擺明的那樣，他的係統電路太（tài）敏感了，在滿足（zú）針對TVS器件的電容約束和尺寸要求（qiú）條件下，很難（nán）達到±15kV的係統級抗幹擾性能。此外我要（yào）解釋的是，並不是所有TVS器件生來都是一樣的。不同製造商生（shēng）產的兩種TVS鉗位器件（jiàn）的鉗位性能可能有很大的差別。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（yī）個好（hǎo）的策（cè）略。因此（cǐ），我（wǒ）們用一些更新的高性能低側鉗位（wèi）器件對他的電路板進行了改（gǎi）造——這些器件可（kě）以抑製很高的峰值電流。這樣，這塊電路（lù）板的抗幹（gàn）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接觸放電)8kV Contact voltage waveform: 8kV接觸電壓（yā）波形（xíng）No external TVS protection implemented: 沒有使用（yòng）外部TVS保護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: 時間他的係統現在可以輕（qīng）鬆通過±8kV測試了(大（dà）多數情況下±8kV足夠了)。電路板仍然沒能通過±15kV接（jiē）觸放電測試(擴展目標)，但比以前的結果要好多了。在此基（jī）礎上，為了進一步（bù）提高係統的健壯性，我們在（zài）線路上增加了一個小的串聯電阻，它足以壓製殘（cán）餘的瞬（shùn）態電流，但還不足以影響信號（hào）性能。雖然增加電阻並不是（shì）最理（）想（xiǎng）的方案，但它確（què）實提高了抗ESD性能，在這樣一個設計後期階段，它提供了實現起（qǐ）來相對容易的修複手段。最終結果表明一切安好：穩健的產（chǎn）品，愉悅的最終用戶，高興的老板，以及更（gèng）加深入理解ESD保護知識的工程師。正如他們說的（de）那樣，“增加電阻起到了（le）四兩撥千斤的效果。"我猜想（xiǎng）在他的下一個設計中（zhōng），我們的（de）朋友會更加主動地去避（bì）免最後時刻才會發現的任何ESD失（shī）誤。（文章來自CNTRONIS）
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