中心論題：

• 研究電子元器件的拓撲變化
• 研究布線問題

解決方案：

• 保護簡單低速的單端輸入/輸出（I/O）線，開發(fā)利用拓撲結(jié)構(gòu)
• 減少抑制器軌道數(shù)量
• 信號回路規(guī)模最小化

迄今為止，此系列文章已經(jīng)報道了ESD破壞機理、沖擊源模型和防護裝置，主要集中討論了具有高速度和低閾值電壓的瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管。本篇是該主題的最后一部分，將重點關(guān)注應(yīng)用方面，并針對一些案例，提供特殊應(yīng)用電路保護方案。

實際上，所有ESD測試標準都涉及了沖擊源模型，例如人體、機器或充電器件。這些模型精確地解釋了測試源的導(dǎo)電特性。最新的測試標準如普遍應(yīng)用的IEC-61000-4-2，詳述了沖擊波形，進一步將測試源簡化成測試源變量參數(shù)，為研究和評估各種高速瞬態(tài)緩解辦法提供了關(guān)鍵信息。

需要注意的是，除了需關(guān)注ESD保護，仍有大量瞬態(tài)電壓過載的非ESD源需要防護。因此，不但要明確產(chǎn)品將必須應(yīng)對這些沖擊源，而且要確保ESD防護足以應(yīng)對這些沖擊源。如果不能應(yīng)對，則需要在能防護多種危險的單一裝置和多個防護裝置之間尋找折中辦法。

拓撲變化
各種電子元器件中，半導(dǎo)體對超負荷電壓最為敏感。因此通常情況下，集成電路（IC）引腳會連接到某種防護元件，該元件大多數(shù)情況都是制造商焊墊設(shè)計中的必要組成部分。焊墊指IC的金屬化，即后端處理裝置或者連接與焊接框架或類似結(jié)構(gòu)相連的電線，或者連接與電路板（PCB）或其他基座上的銅片直接相連的焊錫球。焊墊設(shè)計包括焊接區(qū)域和一個或多個保護裝置的金屬化外形，由焊墊用途決定焊墊的類型和數(shù)目。

例如，與信號輸入相關(guān)的IC焊墊的特點是齊納二極管和結(jié)型鉗位二極管連接供電軌（圖1a），或者兩段式齊納鉗位二級管連接地面（圖1b）。多供電軌的IC需要使用軌道夾鉗阻止軌道在高速電流瞬變時擴散。
 

在任何情況下，IC供應(yīng)商在產(chǎn)品里設(shè)計的保護裝置總是有限的。在設(shè)計良好、使用正常的情況下，它們作為次要的防護裝置效果十分顯著；但是，當它們作為瞬態(tài)電壓事件的主要防護裝置時，由于離瞬態(tài)切入點距離遠、并且規(guī)模有限，它們的防護效果就十分不理想。尤其對于在使用時難以控制的便攜設(shè)備來說，情況更是如此。

設(shè)計時，可以保護簡單低速的單端輸入/輸出（I/O）線，開發(fā)利用類似于IC制造商使用的拓撲結(jié)構(gòu)。實際上，如果選擇了更有效的抑制器，并且將其放置在離瞬態(tài)切入點盡可能近的位置，產(chǎn)品的瞬態(tài)承受能力將會大大地提高。如果輸入/輸出線需要低阻抗回路，可以簡單地使單一的TVS二極管鄰近信號的外部連接器（圖2a）。這個處理方法會使外部和芯片上的二極管共享電流。
 

如果產(chǎn)品要在輸入/輸出線中承受某些額外阻抗（如在單端邏輯輸入時經(jīng)常出現(xiàn)的情況），可以通過在外部夾鉗和IC引腳之間增加一個電阻器，使外部和芯片上二極管之間的電流有助于外部防護（圖2b）。一些TVS二極管供應(yīng)商在單一小型組件包里提供兩個結(jié)型二極管和一個TVS夾鉗，進一步減少組件數(shù)目、降低裝配成本，避免互連偏離。這些組件包同樣適用于多軌道情況——單一的組件包為幾條普通供電軌提供保護（圖3）。
 

不同的輸入/輸出線（比如適用于USB2.0規(guī)格的），是這種組件包的眾多受益者之一。與通常情況下連接外部設(shè)備或系統(tǒng)的信令方法一樣，有效的USB 2.0端口保護設(shè)計應(yīng)當包括一個共模扼流圈，以誘導(dǎo)的方式幫助過濾鄰近線路中的耦合瞬態(tài)，這種瞬態(tài)傾向于與一對平衡線中的兩條都連接。

USB 2.0端口的最大傳輸速率為480Mbps，要求保護裝置基本不發(fā)生并聯(lián)式的寄生電容效應(yīng)。在這一點上USB 2.0與其它應(yīng)用相同。TVS二極管供應(yīng)商必須在峰值電流容量和寄生電容之間尋求元件分布的折中點。

斷開狀態(tài)（圖5a）模型中的TVS二極管作為理想二極管有一個小的直流泄漏電流段和兩個交流電段——電容總合為：

 
，其中，C是純寄生電容、CT是TVS二極管的結(jié)點偏離、CP是元件偏離（圖5b）。當供應(yīng)商在制造、元件設(shè)計和封裝能力上達到極限時，就會借助于復(fù)合設(shè)備，進一步減少抑制器的純并聯(lián)寄生段。
 

例如，如果某元件僅需要單向運行，抑制器制造商可以通過一系列TVS二極管和結(jié)型二極管形成低電容抑制器（圖6a）。在斷開狀態(tài)下，這種結(jié)構(gòu)的純電容等于

 
，其中，CJ是結(jié)型二極管的斷開狀態(tài)電容（圖6b）。如果發(fā)生瞬態(tài)時復(fù)合設(shè)備正在運行，結(jié)型二極管正向偏置。特定峰值電流的耗損比TVS二極管在雪崩模式下運行的耗損要少得多。結(jié)型二極管的結(jié)點區(qū)及其電容也更小。因此，結(jié)型二極管的電容可支配兩個二極管的寄生串聯(lián)，并且減少了復(fù)合設(shè)備的總體斷路電容。
 

鉗式結(jié)構(gòu)（如圖3）的優(yōu)點之一是按正向傳導(dǎo)能力大小進行排列的結(jié)型二極管是與輸入/輸出線相連，而更大電容的TVS二極管實際上是與供電線相連——在這種導(dǎo)電環(huán)境下，TVS的偏離電容是不起作用的。

對于需要雙向保護的應(yīng)用，兩個TVS二極管可以串聯(lián)運轉(zhuǎn)——背靠背或者面對面，單獨運作或者與結(jié)型鉗位二極管共同運作。在所有串聯(lián)復(fù)合設(shè)備中，受保護節(jié)點的純電容負荷少于單一設(shè)備的純電容負荷。

類似圖1b中的片上二段夾鉗結(jié)構(gòu)也應(yīng)用于外部夾鉗，在相同設(shè)備中同時實現(xiàn)瞬態(tài)超電壓防護和電磁干擾（EMI）過濾。這種布局是基本的π形網(wǎng)絡(luò)，同時，TVS二極管的寄生電容有利于完成EMI過濾。電阻和感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)均可直接利用，滿足各種實體電路層對于信令的具體要求（圖7）。抑制器供應(yīng)商通常按照通信標準在選擇器向?qū)е袑υ右詤^(qū)分，確保適當?shù)膸捄湍承┨匦宰杩沟膽?yīng)用。
 

布線
在設(shè)計接地系統(tǒng)時會涉及到電路拓撲和布線。與所有出現(xiàn)多重返回電流的系統(tǒng)一樣，設(shè)計者希望阻止電流和返回路徑阻抗發(fā)生交互作用，以避免出現(xiàn)串音、干擾或其他方面的信號質(zhì)量下降。

在瞬態(tài)抑制電路中，多數(shù)供應(yīng)商建議將TVS二極管及其關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)底板接地，或者在絕緣的閉路系統(tǒng)中實現(xiàn)電力接地。抑制器元件應(yīng)安裝在盡可能接近切入點的地方，減少軌道數(shù)量，因為瞬態(tài)電流在并聯(lián)到地面前會流經(jīng)這些軌道。需使用短寬的走線使串聯(lián)互連阻抗最小化。同樣，如有可能，利用接地層，在離電源接入點盡可能近的中性點處把地面連接起來。

遵照高頻布線的總體設(shè)計方針，除將走線阻抗減至最小外，信號回路的規(guī)模也要最小化，以減少EMI輻射。如果設(shè)計中的信號線需要阻抗控制流，需注意走線上的懸掛式抑制器將導(dǎo)致本地阻抗的不連續(xù)性，繼而破壞信號的完整性。大多數(shù)抑制器制造商在提供用于阻抗控制的元件同時，也提供具體的布線指導(dǎo)。通過修改指定長度的走線外形，抑制器帶來的并聯(lián)阻抗就能得到彌補。最后，至少有一個制造商可以提供具有內(nèi)部信號接口的阻抗控制元件，使所有的彌補在元件內(nèi)完成。