電路設計中如何防止靜電放電

我們的手都曾有過(guò)靜電放電(ESD)的體驗，即使只是從地毯上走過(guò)然后觸摸某些金屬部件也會(huì )在瞬間釋放積累起來(lái)的靜電。我們許多人都曾抱怨在實(shí)驗室中使用 導電毯、ESD靜電腕帶和其它要求來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)ESD標準。我們中也有不少人曾經(jīng)因為粗心大意使用未受保護的電路而損毀昂貴的電子元件。
對某些人來(lái)說(shuō)ESD是一種挑戰，因為需要在處理和組裝未受保護的電子元件時(shí)不能造成任何損壞。這是一種電路設計挑戰，因為需要保證系統承受住ESD的沖擊，之后仍能正常工作，更好的情況是經(jīng)過(guò)ESD事件后不發(fā)生用戶(hù)可覺(jué)察的故障。
與人們的常識相反，設計人員完全可以讓系統在經(jīng)過(guò)ESD事件后不發(fā)生故障并仍能繼續運行。將這個(gè)目標謹記在心，下面讓我們更好地理解ESD沖擊時(shí)到底發(fā)生了什么，然后介紹如何設計正確的系統架構來(lái)應對ESD。

▼簡(jiǎn)單模型
將一個(gè)電容充電到高電壓(一般是2kV至8kV)，然后通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)將電荷釋放進(jìn)準備承受ESD沖擊的“受損”器件(圖1)。電荷的極性可以是正也可以是負，因此必須同時(shí)處理好正負ESD兩種情況。

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圖1：板級ESD通常涉及機器模型(MM)和人體模型(HBM)。
破壞受損電路的高瞬態(tài)電壓一般具有幾個(gè)納秒的上升時(shí)間和大約100納秒的放電時(shí)間受損電路不同，對正負沖擊的敏感性可能也有很大的不同，因此你需要同時(shí)處 理好正負沖擊。人體模型(HMB)和機器模型(MM)這兩種*常見(jiàn)模型之間的區別主要在于串聯(lián)電阻。人體模型的導電性沒(méi)有金屬那么好。
防止過(guò)壓損壞的*佳保護措施是用非線(xiàn)性電路進(jìn)行限壓或鉗位(圖2)。*常用的是專(zhuān)門(mén)的二極管，當它們在前向偏置或處于齊納擊穿區時(shí)具有很低的阻抗。引入限壓器可以快速引起某些別的事件，因為通過(guò)電容放電會(huì )有大的浪涌電流經(jīng)過(guò)限壓器。

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圖2：基本的限壓電路可以防止過(guò)壓損壞
雖然消除了高瞬態(tài)電壓，但代之以幾個(gè)安培的浪涌電流可能會(huì )導致系統中出現其它問(wèn)題。具體取決于隨后路徑的總阻抗，浪涌電流可以達到幾個(gè)安培。在為芯片設計 I/O單元時(shí)，經(jīng)?？吹?A至16A的浪涌電流進(jìn)入器件。處理如此巨大的瞬態(tài)浪涌電流已經(jīng)成為ESD設計中的大問(wèn)題。限制電壓還算比較容易，但形成的電流 可能使系統中其它地方的電路和地發(fā)生逆轉。
被限壓器強制導入地的電流將在系統的那個(gè)節點(diǎn)中產(chǎn)生感應性振鈴現象(圖3)。電源通常沿著(zhù)地線(xiàn)傳播，并且是電源去耦電容的函數，因此系統核心仍能正常工 作。不過(guò)連到電路板上的控制線(xiàn)可能出現混亂，因為它們是相對板外的地而建立的。結果可能在某個(gè)位置發(fā)生ESD事件，并致使電路板上的某個(gè)輸入端看起來(lái)出現 故障。

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圖3：通過(guò)限壓器將大的浪涌電流注入到地將引起PCB地的反彈，并表現為連接電感的一個(gè)函數

▼堡壘的作用

利用板級ESD，你可以嘗試建立一個(gè)堡壘，并在“護城河”上建立多個(gè)受控的接入點(diǎn)。連接到“城墻”之外的部分可以被廣義地分成幾個(gè)類(lèi)別：協(xié)議受控的數據、 低帶寬檢測和控制線(xiàn)以及高速接口。前兩個(gè)比較容易處理，第三個(gè)具有一定程度的挑戰性。讓這三部分免遭ESD破壞有幾種不同的方法。
不管*終產(chǎn)品是什么樣，某種形式的保護性外殼將成為設備的一部分。隔離外殼內的電路是需要仔細考慮的**道防線(xiàn)。在理想情況下，連接電路板地的金屬外殼通常能起使用，但現代產(chǎn)品經(jīng)常采用非導電性的塑料或其它現代材料。
電路設計人員通常沒(méi)法控制建造城墻的材料，但對保護堡壘負有不可推卸的責任。在設計外殼時(shí)需要注意，到達機箱外部任何部分的ESD都會(huì )有無(wú)數路徑進(jìn)入內部電路。
建立一個(gè)PCB能夠自我防止ESD沖擊的堡壘可以從低阻抗的接地方法開(kāi)始。建立一個(gè)地基和正常的電源完整性可以讓印刷電路板(PCB)保持整個(gè)板上的信號完整性，即使是受到巨大的地浪涌電流沖擊的時(shí)候。
作為一個(gè)設計工程師，你會(huì )要求每個(gè)人系好他們的**帶，這樣可以對付少量的氣流。飛機可能快速地上下擺動(dòng)，但如果每個(gè)人都系好了**帶，那么所有人都會(huì )固定在原位，飛機也會(huì )繼續飛行。在這之后，你需要保護外部連接，并限制ESD事件效應。
保護電路應該位于電路板入口位置，而不是入口點(diǎn)的下游。需要處理的可能是電弧問(wèn)題引起的數千伏電位，或者*好在電路板邊緣位置處理的數安培的浪涌電流。

▼TVS限壓器

瞬態(tài)電壓抑制(TVS)限制二極管可以用作限壓器。它們分為普通電壓、邏輯電平和電源電壓。常見(jiàn)的電壓種類(lèi)有：12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.2V。
這個(gè)數字應該看起來(lái)比較熟悉，因為這些器件是專(zhuān)門(mén)針對與許多CMOS器件有關(guān)的需求設計的。一種規格不可能滿(mǎn)足所有需求，它們應該是適合要保護器件的正確電壓。
現代CMOS工藝顯著(zhù)降低了電源電壓，以保護沒(méi)有很多設計余量且電壓范圍有限的晶體管，這點(diǎn)值得我們尊敬。這些器件一般使用代工工藝制造，這種代工工藝可以用小型封裝提供具有低阻抗特性的大電流器件。
在輸入線(xiàn)上放置TVS限壓器可以保護輸入端免遭ESD的破壞性損害(圖4)。但這種限壓器無(wú)法處理在主機處理時(shí)發(fā)生的信號混亂現象，也無(wú)法處理由于巨大的地電流浪涌而發(fā)生的逆轉效應。

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圖4：簡(jiǎn)單的限壓電壓可以提供過(guò)壓保護，但可能導致浪涌電流問(wèn)題。浪涌電流應該被限制，而信號應該保持相對局部地的穩定性
如前所述，HBM和MM之間的性能區別是非常大的。在許多情況下，在TVS器件之前增加一些串聯(lián)電阻有助于限制電流浪涌，并減少地線(xiàn)反彈。與HBM一樣，*終結果是減少系統應力。
通常帶寬限制本身不會(huì )解決ESD問(wèn)題。低通濾波器對小型ESD的衰減也要求60dB至150dB才能消除瞬態(tài)電壓，這對簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波器來(lái)說(shuō)是很難做到的。TVS限壓器可以將信號下拉到電源軌之間。
然后一階RC電路可以用來(lái)保持信號的完整性(圖4)。電容也可以穩定相對于局部地的輸入電壓。這種方法可以很好地保護數量很多的低帶寬輸入，包括“設置并忘記的”控制線(xiàn)、傳感器輸入和類(lèi)似對象。
雖然我們討論的大部分內容是保護PCB的輸入端口，但輸出端口保護也是類(lèi)似的。TVS限壓器和附加電阻在這里也很合適。限制電壓有助于防止半導體損壞，并保護具有電壓限制的其它部件。
串聯(lián)電阻也有助于地的穩定。此外，讓ESD浪涌電流遠離數字芯片的I/O單元可以防止芯片內部出現地線(xiàn)反彈，從而允許處理器在外部限壓器吸收浪涌電流沖擊時(shí)保持正常工作。

▼芯片內部的ESD

基于多種原因，IC內部的ESD保護功能有些折衷。硅片和金屬都針對IC的核心功能作了優(yōu)化，不適合用于大電流工作。專(zhuān)門(mén)的TVS器件使用針對大電流電路優(yōu)化過(guò)的硅片，具有比普通CMOS中的PN結更高的性能。
另外，具有大電流ESD保護功能的I/O單元會(huì )占用相當大的空間，從而推升IC成本。而且IC上的高頻引腳通常沒(méi)辦法附加大尺寸的ESD保護電路，因為它會(huì )產(chǎn)生容性負載。
作為一般經(jīng)驗，芯片內部的ESD保護程度只是足以完成IC生產(chǎn)并焊接到PCB上，但缺少應用環(huán)境通常需要的魯棒性保護性能。如果連接需要離開(kāi)PCB，通常需要利用外部裝置進(jìn)行進(jìn)一步的保護。

▼數據通信端口

正確設計的通信端口會(huì )使用魯棒性的協(xié)議，協(xié)議中包含了通用使用循環(huán)冗余檢查(CRC)編碼來(lái)測試數據的完整性。以太網(wǎng)、USB和CAN總線(xiàn)都開(kāi)發(fā)了 CRC編碼并隨數據一起傳送。設計正確的接收器將檢查CRC編碼是否匹配所發(fā)送的數據。如果不匹配，表示要么數據要么CRC編碼發(fā)生了錯誤，將發(fā)出重新發(fā) 送數據的請求。
由于ESD事件持續時(shí)間不到100ns，因此CRC檢查、驗證和重新發(fā)送過(guò)程通常以不可見(jiàn)的方式處理ESD。*終用戶(hù)一般從未意識到損壞的信息得到了糾正。其它一些協(xié)議的結構中沒(méi)有保護措施。
I2C、串行外設接口(SPI)和系統管理總線(xiàn)(SMBus)通信設計在PCB上工作，無(wú)法驗證和糾正數據。如果有些數據要離開(kāi)電路板，確保你有方法驗證數據的有效性。
大多數現代通信路徑采用差分方式，即使用某種形式的低壓差分信號(LVDS)。每個(gè)LVDS連接需要像所有其它信號一樣受到TVS保護。磁場(chǎng)隔離(以太網(wǎng) 常用)和共模扼流圈有助于解決由于ESD事件中的地線(xiàn)反彈產(chǎn)生的共模變化問(wèn)題。在輸入信號與PCB不共享同一個(gè)地時(shí)，應該采取光學(xué)隔離或磁場(chǎng)隔離措施。
要求完善的數據完整性但不包含誤碼檢查的高速數據流在防止ESD沖擊方面難度特別大。理解器件如何提供高于1GB/s的串行數據速率和完整的通信協(xié)議保護可以避免這個(gè)問(wèn)題。

▼模擬信號與數字智能

離開(kāi)或進(jìn)入電路板的任何模擬信號都需要基本的TVS保護。需要考慮連接通道的帶寬以判斷下一步應采取其它什么措施。大多數模擬控制信號、運動(dòng)控制系統、音 頻和指示燈不需要更多的措施，因為所用器件的響應時(shí)間較長(cháng)。射頻前端是通信通道的物理層，由作為協(xié)議一部分的檢錯機制提供自我糾正。
硬件只能提供這么多保護。如果系統中心的某個(gè)處理器需要完成監聽(tīng)和控制，那么還需要一些選項。這里介紹的技術(shù)能使你的處理器不再丟失，或需要經(jīng)過(guò)復位周期。在這個(gè)主機控制下到底發(fā)生了什么則是需要考慮的另外一回事。
一般來(lái)說(shuō)，你需要在處理器代碼中編入一些智能，以便它能識別錯誤的信息并進(jìn)行正確的處理。通過(guò)時(shí)分輪詢(xún)端口可以方便地解決慢速檢測和控制線(xiàn)問(wèn)題。由于ESD事件非常短暫，如果對幾個(gè)毫秒內的多個(gè)樣本來(lái)說(shuō)端口上的數據保持穩定，那么系統就不存在ESD這種災難性事件。
此外，作為再現過(guò)程的一部分，輸出可以被刷新。如果處理器是存儲器單元這一步是不需要的，但如果數據是通過(guò)遠程鎖定的，那就需要用刷新例程來(lái)管理破壞事件