為什麽要（yào）防護靜電放電?

微電子電路麵（miàn）臨的風險比以往任何時候都大，罪（zuì）魁禍首是靜電（diàn）放電（diàn）(ESD)。這些（xiē）禍害是隱秘的殺手，特別容易（yì）攻擊（jī）敏感的IC。單（dān）次靜電放電事件就可以（yǐ）將PCB送入地獄。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（xiǎng）開發進度，以及激怒客戶。在某些（xiē）高壓力情況下，甚（shèn）至意味著你的飯碗不保。

在尺寸不斷縮小的微電子時代，如果ESD瞬（shùn）變未加抑製（zhì）地在PCB走線上出現之前你不去主動地阻止它們，那麽ESD事件很可能毀了（le）你的產品。

在（zài）寫這篇文章時，我剛好想起幾個月前（qián）發生的一件相當有趣的事。一位快要發瘋了的客戶聯係我們尋（xún）求緊急幫助，希望能夠保護他的係統免遭“憤怒的"ESD瞬變傷害（hài）。這個可憐的家夥遭受（shòu）了一係列抗ESD故障的打擊，並使得他的產品規劃全泡了湯。他肯（kěn）定錯漏了一些步驟。

首（shǒu）先，他沒有（yǒu）在任何I/O接口處實現保護鉗位（wèi）電路，也沒有為TVS鉗位器件放置（zhì）PCB焊盤作為他需要保護的“安全閥"措施。使挑戰（zhàn）更加複雜的是，這種特殊產品上的I/O端口被連接到了一些高速和非（fēi）常敏感的通信（xìn）IC。並沒有發生多少（shǎo）ESD就使得這些電路板發生了通信故障。圖1顯示了在數據線上使用鉗位二極（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（lì）子展示了帶ESD保（bǎo）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（chū）版（bǎn）本1和（hé）版本2。這次不再是（shì）“瞎猜了"。客戶（hù）顯然找到了一（yī）個（gè）ESD額定電壓為±15kV的瞬態電壓抑製(TVS)鉗位管。他（tā）在電路板的（de）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保證他的係統可以抗（kàng）±15kV的ESD衝擊。雖然這步走（zǒu）的方（fāng）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（réng）然沒有通過±15kV電壓的測試，雖然這時他發現用（yòng）TVS帶來（lái）了一定程度的改進。圖2展示了TVS二極管如何“鉗位"來自ESD脈衝的電壓。

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

由於遭受了兩次電擊，這位工程師（shī）帶（dài）著驚恐的心（xīn）情求助於我們。隨著我們對（duì）問題的（de）深入分析（xī），我真切感受到這位工程師的焦慮和恐懼（jù）。事實（shí）上，我有深切的感受，在這位（wèi）工程師的PCB走線上亂串的ESD瞬態信號不僅（jǐn）會危害到電路板上的通信器件，而且（qiě）毫不誇張地說可能威脅到他的工作。他早就需（xū）要一個解決方案了。由於時（shí）間不等人，而（ér）且這個已經（jīng）推遲的（de）設計另一端還有一位就要失去耐心的客戶，我們接管（guǎn）了這個問（wèn）題。他把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ESD的傷害，繼（jì）而也保護他的信譽和工作。

然而，我們首先（xiān）需要澄清的誤解是，TVS鉗位（wèi）器件數據手冊上的±15kV額定值（zhí）與他在PCB上想要達到的係統級保（bǎo）護閾值基本上沒（méi）有關係。那個（gè）額定值涉及的是TVS器件本身的故障閾值，但並不等同（tóng）於係統要保證的抗幹擾度。正（zhèng）如事實擺明的那樣（yàng），他的係統電（diàn）路太敏感（gǎn）了，在滿足針對TVS器件的電容約束和尺（chǐ）寸要求條件下，很（hěn）難達到±15kV的（de）係統級抗幹擾性能。

此外我要解釋的是，並不是所有TVS器件生來都是一樣（yàng）的。不同（tóng）製造商生產的兩種TVS鉗位器件的鉗位性能可能有很大的差別（bié）。如果產（chǎn）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（luè）。因此，我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造——這（zhè）些器件可以抑（yì）製很高的峰值電流。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：增加瞬態電壓抑製可以顯著降低鉗位電壓，保護（hù）敏感（gǎn）的IC。Voltage: 電壓

TVS Clamping Response ( 8kV Contact Discharge): TVS鉗位響應( 8kV接觸放電)8kV Contact voltage waveform: 8kV接（jiē）觸電壓（yā）波形No external TVS protection implemented: 沒有（yǒu）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電壓( 8kV接觸電壓（yā）)Time: 時間

他的係統現在可以輕鬆通過±8kV測試了(大（dà）多數情況下（xià）±8kV足夠了)。電（diàn）路板仍然沒能通過±15kV接觸放電測試(擴展目標)，但比（bǐ）以前的結果（guǒ）要好多了。在此基礎上，為了進一步提高係統（tǒng）的（de）健壯性，我們在線路上（shàng）增加了一個小的串聯電阻（zǔ），它足以壓製殘餘的瞬態電流（liú），但還不足以影響信號性能。

雖然增加電阻並不是最（）理（想的方案，但它確實提高了抗ESD性能，在這樣一個設計後期階段，它提供了實現起來相對容易的修複手段。最（zuì）終結果表明一切安好（hǎo）：穩健（jiàn）的產品，愉（yú）悅（yuè）的最終用戶，高（gāo）興的老板，以及更加（jiā）深入理解ESD保護知識的工程師。正如他（tā）們說的那樣，“增加電阻起到了四兩撥千斤的效果（guǒ）。"我猜想在他的下一個設計中，我們的朋友會更加主動地去避免最後時刻才會發現的任何ESD失誤。（文章來自電磁兼容之家）