直击痛处:如何巧妙防止电路设计的静电放电
品慧电子讯对某些人来说ESD是一种挑战,因为需要在处理和组装未受保护的电子元件时不能造成任何损坏。这是一种电路设计挑战,因为需要保证系统承受住ESD的冲击,之后仍能正常工作,更好的情况是经过ESD事件后不发生用户可觉察的故障。我们的手都曾有过静电放电(ESD)的体验,即使只是从地毯上走过然后触摸某些金属部件也会在瞬间释放积累起来的静电。我们许多人都曾抱怨在实验室中使用导电毯、ESD静电腕带和其它要求来满足工业ESD标准。我们中也有不少人曾经因为粗心大意使用未受保护的电路而损毁昂贵的电子元件。对某些人来说ESD是一种挑战,因为需要在处理和组装未受保护的电子元件时不能造成任何损坏。这是一种电路设计挑战,因为需要保证系统承受住ESD的冲击,之后仍能正常工作,更好的情况是经过ESD事件后不发生用户可觉察的故障。与人们的常识相反,设计人员完全可以让系统在经过ESD事件后不发生故障并仍能继续运行。将这个目标谨记在心,下面让我们更好地理解ESD冲击时到底发生了什么,然后介绍如何设计正确的系统架构来应对ESD。简单模型将一个电容充电到高电压(一般是2kV至8kV),然后通过闭合开关将电荷释放进准备承受ESD冲击的“受损”器件(图1)。电荷的极性可以是正也可以是负,因此必须同时处理好正负ESD两种情况。图1:板级ESD通常涉及机器模型(MM)和人体模型(HBM)。破坏受损电路的高瞬态电压一般具有几个纳秒的上升时间和大约100纳秒的放电时间受损电路不同,对正负冲击的敏感性可能也有很大的不同,因此你需要同时处理好正负冲击。人体模型(HMB)和机器模型(MM)这两种最常见模型之间的区别主要在于串联电阻。人体模型的导电性没有金属那么好。防止过压损坏的最佳保护措施是用非线性电路进行限压或钳位(图2)。最常用的是专门的二极管,当它们在前向偏置或处于齐纳击穿区时具有很低的阻抗。引入限压器可以快速引起某些别的事件,因为通过电容放电会有大的浪涌电流经过限压器。图2:基本的限压电路可以防止过压损坏虽然消除了高瞬态电压,但代之以几个安培的浪涌电流可能会导致系统中出现其它问题。具体取决于随后路径的总阻抗,浪涌电流可以达到几个安培。在为芯片设计I/O单元时,经常看到4A至16A的浪涌电流进入器件。处理如此巨大的瞬态浪涌电流已经成为ESD设计中的大问题。限制电压还算比较容易,但形成的电流可能使系统中其它地方的电路和地发生逆转。123下一页>
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图4:简单的限压电压可以提供过压保护,但可能导致浪涌电流问题。浪涌电流应该被限制,而信号应该保持相对局部地的稳定性如前所述,HBM和MM之间的性能区别是非常大的。在许多情况下,在TVS器件之前增加一些串联电阻有助于限制电流浪涌,并减少地线反弹。与HBM一样,最终结果是减少系统应力。通常带宽限制本身不会解决ESD问题。低通滤波器对小型ESD的衰减也要求60dB至150dB才能消除瞬态电压,这对简单的无源滤波器来说是很难做到的。TVS限压器可以将信号下拉到电源轨之间。然后一阶RC电路可以用来保持信号的完整性(图4)。电容也可以稳定相对于局部地的输入电压。这种方法可以很好地保护数量很多的低带宽输入,包括“设置并忘记的”控制线、传感器输入和类似对象。虽然我们讨论的大部分内容是保护PCB的输入端口,但输出端口保护也是类似的。TVS限压器和附加电阻在这里也很合适。限制电压有助于防止半导体损坏,并保护具有电压限制的其它部件。串联电阻也有助于地的稳定。此外,让ESD浪涌电流远离数字芯片的I/O单元可以防止芯片内部出现地线反弹,从而允许处理器在外部限压器吸收浪涌电流冲击时保持正常工作。<上一页123下一页>
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基于多种原因,IC内部的ESD保护功能有些折衷。硅片和金属都针对IC的核心功能作了优化,不适合用于大电流工作。专门的TVS器件使用针对大电流电路优化过的硅片,具有比普通CMOS中的PN结更高的性能。另外,具有大电流ESD保护功能的I/O单元会占用相当大的空间,从而推升IC成本。而且IC上的高频引脚通常没办法附加大尺寸的ESD保护电路,因为它会产生容性负载。作为一般经验,芯片内部的ESD保护程度只是足以完成IC生产并焊接到PCB上,但缺少应用环境通常需要的鲁棒性保护性能。如果连接需要离开PCB,通常需要利用外部装置进行进一步的保护。数据通信端口正确设计的通信端口会使用鲁棒性的协议,协议中包含了通用使用循环冗余检查(CRC)编码来测试数据的完整性。以太网、USB和CAN总线都开发了CRC编码并随数据一起传送。设计正确的接收器将检查CRC编码是否匹配所发送的数据。如果不匹配,表示要么数据要么CRC编码发生了错误,将发出重新发送数据的请求。由于ESD事件持续时间不到100ns,因此CRC检查、验证和重新发送过程通常以不可见的方式处理ESD。最终用户一般从未意识到损坏的信息得到了纠正。其它一些协议的结构中没有保护措施。I2C、串行外设接口(SPI)和系统管理总线(SMBus)通信设计在PCB上工作,无法验证和纠正数据。如果有些数据要离开电路板,确保你有方法验证数据的有效性。大多数现代通信路径采用差分方式,即使用某种形式的低压差分信号(LVDS)。每个LVDS连接需要像所有其它信号一样受到TVS保护。磁场隔离(以太网常用)和共模扼流圈有助于解决由于ESD事件中的地线反弹产生的共模变化问题。在输入信号与PCB不共享同一个地时,应该采取光学隔离或磁场隔离措施。要求完善的数据完整性但不包含误码检查的高速数据流在防止ESD冲击方面难度特别大。理解器件如何提供高于1GB/s的串行数据速率和完整的通信协议保护可以避免这个问题。模拟信号与数字智能离开或进入电路板的任何模拟信号都需要基本的TVS保护。需要考虑连接通道的带宽以判断下一步应采取其它什么措施。大多数模拟控制信号、运动控制系统、音频和指示灯不需要更多的措施,因为所用器件的响应时间较长。射频前端是通信通道的物理层,由作为协议一部分的检错机制提供自我纠正。硬件只能提供这么多保护。如果系统中心的某个处理器需要完成监听和控制,那么还需要一些选项。这里介绍的技术能使你的处理器不再丢失,或需要经过复位周期。在这个主机控制下到底发生了什么则是需要考虑的另外一回事。一般来说,你需要在处理器代码中编入一些智能,以便它能识别错误的信息并进行正确的处理。通过时分轮询端口可以方便地解决慢速检测和控制线问题。由于ESD事件非常短暂,如果对几个毫秒内的多个样本来说端口上的数据保持稳定,那么系统就不存在ESD这种灾难性事件。此外,作为再现过程的一部分,输出可以被刷新。如果处理器是存储器单元这一步是不需要的,但如果数据是通过远程锁定的,那就需要用刷新例程来管理破坏事件。<上一页123
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