為什（shí）麽要防（fáng）護靜電放電（diàn）?

微電子電路麵臨的風險比以往任何時候都大，罪魁禍首是靜電放電(ESD)。這（zhè）些禍害是隱秘的殺手，特別容易攻（gōng）擊敏感的IC。單（dān）次（cì）靜電放電事件就可以將PCB送入地獄。抗靜電放電設計隻要錯失一步（bù）就（jiù）可能意味（wèi）著延誤上市時間、影響開發進度，以及激怒客戶。在（zài）某些高壓力情況下，甚至意味（wèi）著你的飯碗不保。

在尺寸（cùn）不斷縮小的微電子時代，如果ESD瞬變未加抑製地（dì）在PCB走線上出現之前你不去主動地（dì）阻止（zhǐ）它們，那（nà）麽ESD事件很可能毀了你的產（chǎn）品。

在寫這篇（piān）文章時，我剛好想起幾個月前發生的一件相當有趣的事。一（yī）位快要發瘋了的客戶聯係我們尋求緊急幫助，希望能夠保護他的係統免遭“憤怒的"ESD瞬變傷害。這個可憐的（de）家夥遭（zāo）受了一係列（liè）抗ESD故障的打擊，並使得他（tā）的產品規劃全泡了湯。他（tā）肯定錯漏了一些（xiē）步驟。

首先，他沒有在任何I/O接口處實現（xiàn）保護鉗位（wèi）電路（lù），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"措施。使挑戰更加（jiā）複雜的是，這（zhè）種特殊產品上的I/O端（duān）口被連接到了（le）一些高速（sù）和非常敏感的通信IC。並沒（méi）有發（fā）生多少ESD就使得這些電路板發生了通信故（gù）障。圖1顯示（shì）了在數據線上使用鉗位二極管的例子。

圖1：TVS二極管可以在數據線上提供ESD保（bǎo）護。這個（gè）例子展示了帶ESD保護功能的USB 2.0數據線。

當第（dì）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“瞎猜了"。客戶顯然找到了一個（gè）ESD額定電壓為±15kV的瞬態電壓抑製(TVS)鉗位管。他在電路板的一些I/O端口上布放了一些（xiē）TVS，然後相當高興地認為這（zhè）個器件可以保證他的係統可以抗±15kV的ESD衝擊。雖然這步走的方向（xiàng）是正確的，但他仍然（rán）從根（gēn）本上誤解了ESD威脅。第二版電路仍然沒有通過±15kV電壓的測試，雖然（rán）這時他發現（xiàn）用TVS帶來了（le）一定程（chéng）度的改進。圖2展示了（le）TVS二（èr）極管（guǎn）如何“鉗位"來（lái）自ESD脈衝的電（diàn）壓。

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

由於遭受了兩次電擊，這（zhè）位工程師帶著驚恐的心情求（qiú）助於我們（men）。隨著我們對問（wèn）題的深入分析，我真切感受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走線上亂串的ESD瞬態信號不僅會危害到電路板上的通信器件，而且毫不誇張地說可能威脅到（dào）他的工作。他（tā）早就需要一個解決方（fāng）案了。由於時間不等人，而且這個（gè）已經推遲（chí）的設計另一端還有（yǒu）一位就要失去耐心的客戶，我們接（jiē）管了這個問題。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，繼而也保護他的信譽和工作。

然而（ér），我們首先需（xū）要澄清（qīng）的誤解是，TVS鉗位器件數（shù）據手冊上的±15kV額定值與他在PCB上（shàng）想要達到的（de）係統級保護閾值基本上沒有關係。那個額定值涉及的是TVS器件本身的（de）故（gù）障閾值，但並不等同於係統要（yào）保證（zhèng）的抗幹擾度。正（zhèng）如事實擺明的那樣，他（tā）的係統電路太敏感了，在滿足針對TVS器件的（de）電容約束和尺寸要求條件下（xià），很難達到（dào）±15kV的係統級（jí）抗（kàng）幹擾（rǎo）性能。

此外我要解釋的（de）是，並不是所有TVS器（qì）件生來都是一樣的。不同製造商（shāng）生產的兩種TVS鉗位器件的鉗位性能可能有很大的差別。如果產品開發周期（qī）非常吃緊的話，選擇便宜、山.寨的TVS器件不（bú）是一個好的（de）策略。因此，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（jìn）行了（le）改造——這些器件可以抑製很（hěn）高的峰值（zhí）電（diàn）流。這樣，這塊電路板（bǎn）的抗幹擾性能有了顯著的改進，如下圖所示。

圖（tú）3：增加瞬態電壓抑（yì）製可以（yǐ）顯著降低鉗位電壓，保（bǎo）護敏感的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接觸電壓波形No external TVS protection implemented: 沒有使用外（wài）部TVS保護Clamped ESD voltage( 8kV contact) with Semtech RClamp0531TQ TVS: 使用Semtech RClamp0531TQ TVS的鉗位ESD電（diàn）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（le）(大多數情況下±8kV足夠了（le）)。電路板仍然沒能通過（guò）±15kV接觸放電測試(擴展目標)，但比以前的結果要好（hǎo）多（duō）了。在此基礎上，為了進一步提高係統的健壯性，我們在線路上增加了一個小的串聯電阻（zǔ），它足以壓製殘餘的瞬態電流，但還（hái）不足以影響信號（hào）性能。

雖然增（zēng）加電阻並不是最（zuì）（）理（想的方案，但它確實提高了抗ESD性能（néng），在（zài）這（zhè）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。最終結果表明一（yī）切安好：穩健的產品，愉悅的最終用戶，高興的老板，以及（jí）更（gèng）加深入理解ESD保護知識的工程師。正如他們說的那樣，“增加電阻起到了四兩撥千斤（jīn）的效果。"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（cí）兼容之（zhī）家）