電路設(shè)計中如何防止靜電放電？

我們的手都曾有過靜電放電(ESD)的體驗，即使只是從地毯上走過然后觸摸某些金屬部件也會在瞬間釋放積累起來的靜電。我們許多人都曾抱怨在實驗室中使用導電毯、ESD靜電腕帶和其它要求來滿足工業(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。

 

對某些人來說ESD是一種挑戰(zhàn)，因為需要在處理和組裝未受保護的電子元件時不能造成任何損壞。這是一種電路設(shè)計挑戰(zhàn)，因為需要保證系統(tǒng)承受住ESD的沖擊，之后仍能正常工作，更好的情況是經(jīng)過ESD事件后不發(fā)生用戶可覺察的故障。

 

與人們的常識相反，設(shè)計人員完全可以讓系統(tǒng)在經(jīng)過ESD事件后不發(fā)生故障并仍能繼續(xù)運行。將這個目標謹記在心，下面讓我們更好地理解ESD沖擊時到底發(fā)生了什么，然后介紹如何設(shè)計正確的系統(tǒng)架構(gòu)來應對ESD。

 

簡單模型

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

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)電壓一般具有幾個納秒的上升時間和大約100納秒的放電時間受損電路不同，對正負沖擊的敏感性可能也有很大的不同，因此你需要同時處理好正負沖擊。人體模型(HMB)和機器模型(MM)這兩種最常見模型之間的區(qū)別主要在于串聯(lián)電阻。人體模型的導電性沒有金屬那么好。

 

防止過壓損壞的最佳保護措施是用非線性電路進行限壓或鉗位(圖2)。最常用的是專門的二極管，當它們在前向偏置或處于齊納擊穿區(qū)時具有很低的阻抗。引入限壓器可以快速引起某些別的事件，因為通過電容放電會有大的浪涌電流經(jīng)過限壓器。
 

 

圖2：基本的限壓電路可以防止過壓損壞

 

雖然消除了高瞬態(tài)電壓，但代之以幾個安培的浪涌電流可能會導致系統(tǒng)中出現(xiàn)其它問題。具體取決于隨后路徑的總阻抗，浪涌電流可以達到幾個安培。在為芯片設(shè)計 I/O單元時，經(jīng)常看到4A至16A的浪涌電流進入器件。處理如此巨大的瞬態(tài)浪涌電流已經(jīng)成為ESD設(shè)計中的大問題。限制電壓還算比較容易，但形成的電流可能使系統(tǒng)中其它地方的電路和地發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

 

被限壓器強制導入地的電流將在系統(tǒng)的那個節(jié)點中產(chǎn)生感應性振鈴現(xiàn)象(圖3)。電源通常沿著地線傳播，并且是電源去耦電容的函數(shù)，因此系統(tǒng)核心仍能正常工作。不過連到電路板上的控制線可能出現(xiàn)混亂，因為它們是相對板外的地而建立的。結(jié)果可能在某個位置發(fā)生ESD事件，并致使電路板上的某個輸入端看起來出現(xiàn)故障。
 

圖3：通過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(xiàn)為連接電感的一個函數(shù)
 

 堡壘的作用

利用板級ESD，你可以嘗試建立一個堡壘，并在“護城河”上建立多個受控的接入點。連接到“城墻”之外的部分可以被廣義地分成幾個類別：協(xié)議受控的數(shù)據(jù)、低帶寬檢測和控制線以及高速接口。前兩個比較容易處理，第三個具有一定程度的挑戰(zhàn)性。讓這三部分免遭ESD破壞有幾種不同的方法。

 

不管最終產(chǎn)品是什么樣，某種形式的保護性外殼將成為設(shè)備的一部分。隔離外殼內(nèi)的電路是需要仔細考慮的第一道防線。在理想情況下，連接電路板的金屬外殼通常能起使用，但現(xiàn)代產(chǎn)品經(jīng)常采用非導電性的塑料或其它現(xiàn)代材料。

 

電路設(shè)計人員通常沒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(shè)計外殼時需要注意，到達機箱外部任何部分的ESD都會有無數(shù)路徑進入內(nèi)部電路。

 

建立一個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始。建立一個地基和正常的電源完整性可以讓印刷電路板(PCB)保持整個板上的信號完整性，即使是受到巨大的地浪涌電流沖擊的時候。

作為一個設(shè)計工程師，你會要求每個人系好他們的安全帶，這樣可以對付少量的氣流。飛機可能快速地上下擺動，但如果每個人都系好了安全帶，那么所有人都會固定在原位，飛機也會繼續(xù)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，而不是入口點的下游。需要處理的可能是電弧問題引起的數(shù)千伏電位，或者最好在電路板邊緣位置處理的數(shù)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。常見的電壓種類有：12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.2V。

 

這個數(shù)字應該看起來比較熟悉，因為這些器件是專門針對與許多CMOS器件有關(guān)的需求設(shè)計的。一種規(guī)格不可能滿足所有需求，它們應該是適合要保護器件的正確電壓。

 

現(xiàn)代CMOS工藝顯著降低了電源電壓，以保護沒有很多設(shè)計余量且電壓范圍有限的晶體管，這點值得我們尊敬。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)。但這種限壓器無法處理在主機處理時發(fā)生的信號混亂現(xiàn)象，也無法處理由于巨大的地電流浪涌而發(fā)生的逆轉(zhuǎn)效應。

 

圖4：簡單的限壓電壓可以提供過壓保護，但可能導致浪涌電流問題。浪涌電流應該被限制，而信號應該保持相對局部地的穩(wěn)定性

 

如前所述，HBM和MM之間的性能區(qū)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，并減少地線反彈。與HBM一樣，最終結(jié)果是減少系統(tǒng)應力。

 

通常帶寬限制本身不會解決ESD問題。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，這對簡單的無源濾波器來說是很難做到的。TVS限壓器可以將信號下拉到電源軌之間。

 

然后一階RC電路可以用來保持信號的完整性(圖4)。電容也可以穩(wěn)定相對于局部地的輸入電壓。這種方法可以很好地保護數(shù)量很多的低帶寬輸入，包括“設(shè)置并忘記的”控制線、傳感器輸入和類似對象。

雖然我們討論的大部分內(nèi)容是保護PCB的輸入端口，但輸出端口保護也是類似的。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(wěn)定。此外，讓ESD浪涌電流遠離數(shù)字芯片的I/O單元可以防止芯片內(nèi)部出現(xiàn)地線反彈，從而允許處理器在外部限壓器吸收浪涌電流沖擊時保持正常工作。

 

芯片內(nèi)部的ESD

基于多種原因，IC內(nèi)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。專門的TVS器件使用針對大電流電路優(yōu)化過的硅片，具有比普通CMOS中的PN結(jié)更高的性能。

 

另外，具有大電流ESD保護功能的I/O單元會占用相當大的空間，從而推升IC成本。而且IC上的高頻引腳通常沒辦法附加大尺寸的ESD保護電路，因為它會產(chǎn)生容性負載。

 

作為一般經(jīng)驗，芯片內(nèi)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PCB，通常需要利用外部裝置進行進一步的保護。

 

數(shù)據(jù)通信端口

正確設(shè)計的通信端口會使用魯棒性的協(xié)議，協(xié)議中包含了通用使用循環(huán)冗余檢查(CRC)編碼來測試數(shù)據(jù)的完整性。以太網(wǎng)、USB和CAN總線都開發(fā)了 CRC編碼并隨數(shù)據(jù)一起傳送。設(shè)計正確的接收器將檢查CRC編碼是否匹配所發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果不匹配，表示要么數(shù)據(jù)要么CRC編碼發(fā)生了錯誤，將發(fā)出重新發(fā) 送數(shù)據(jù)的請求。

 

由于ESD事件持續(xù)時間不到100ns，因此CRC檢查、驗證和重新發(fā)送過程通常以不可見的方式處理ESD。最終用戶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(jié)構(gòu)中沒有保護措施。

 

I2C、串行外設(shè)接口(SPI)和系統(tǒng)管理總線(SMBus)通信設(shè)計在PCB上工作，無法驗證和糾正數(shù)據(jù)。如果有些數(shù)據(jù)要離開電路板，確保你有方法驗證數(shù)據(jù)的有效性。

 

大多數(shù)現(xiàn)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LVDS連接需要像所有其它信號一樣受到TVS保護。磁場隔離(以太網(wǎng)常用)和共模扼流圈有助于解決由于ESD事件中的地線反彈產(chǎn)生的共模變化問題。在輸入信號與PCB不共享同一個地時，應該采取光學隔離或磁場隔離措施。

要求完善的數(shù)據(jù)完整性但不包含誤碼檢查的高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)速率和完整的通信協(xié)議保護可以避免這個問題。

 

模擬信號與數(shù)字智能
離開或進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(shù)模擬控制信號、運動控制系統(tǒng)、音頻和指示燈不需要更多的措施，因為所用器件的響應時間較長。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(tǒng)中心的某個處理器需要完成監(jiān)聽和控制，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)過復位周期。在這個主機控制下到底發(fā)生了什么則是需要考慮的另外一回事。

 

一般來說，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行正確的處理。通過時分輪詢端口可以方便地解決慢速檢測和控制線問題。由于ESD事件非常短暫，如果對幾個毫秒內(nèi)的多個樣本來說端口上的數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定，那么系統(tǒng)就不存在ESD這種災難性事件。

 

此外，作為再現(xiàn)過程的一部分，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(shù)據(jù)是通過遠程鎖定的，那就需要用刷新例程來管理破壞事件。