電路設(shè)計(jì)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(yàn)，即使只是從地毯上走過然后觸摸某些金屬部件也會(huì)在瞬間釋放積累起來的靜電。我們?cè)S多人都曾抱怨在實(shí)驗(yàn)室中使用導(dǎo)電毯、ESD靜電腕帶和其它要求來滿足工業(yè)ESD標(biāo)準(zhǔn)。我們中也有不少人曾經(jīng)因?yàn)榇中拇笠馐褂梦词鼙Ｗo(hù)的電路而損毀昂貴的電子元件。

 

對(duì)某些人來說ESD是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰谔幚砗徒M裝未受保護(hù)的電子元件時(shí)不能造成任何損壞。這是一種電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)樾枰ＷC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(shí)相反，設(shè)計(jì)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(yùn)行。將這個(gè)目標(biāo)謹(jǐn)記在心，下面讓我們更好地理解ESD沖擊時(shí)到底發(fā)生了什么，然后介紹如何設(shè)計(jì)正確的系統(tǒng)架構(gòu)來應(yīng)對(duì)ESD。

 

簡(jiǎn)單模型

將一個(gè)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(jìn)準(zhǔn)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(fù)，因此必須同時(shí)處理好正負(fù)ESD兩種情況。

圖1：板級(jí)ESD通常涉及機(jī)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(gè)納秒的上升時(shí)間和大約100納秒的放電時(shí)間受損電路不同，對(duì)正負(fù)沖擊的敏感性可能也有很大的不同，因此你需要同時(shí)處理好正負(fù)沖擊。人體模型(HMB)和機(jī)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(dǎo)電性沒有金屬那么好。

 

防止過壓損壞的最佳保護(hù)措施是用非線性電路進(jìn)行限壓或鉗位(圖2)。最常用的是專門的二極管，當(dāng)它們?cè)谇跋蚱没蛱幱邶R納擊穿區(qū)時(shí)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?yàn)橥ㄟ^電容放電會(huì)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(gè)安培的浪涌電流可能會(huì)導(dǎo)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(dá)到幾個(gè)安培。在為芯片設(shè)計(jì) I/O單元時(shí)，經(jīng)?？吹?A至16A的浪涌電流進(jìn)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(jì)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(qiáng)制導(dǎo)入地的電流將在系統(tǒng)的那個(gè)節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生感應(yīng)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?yàn)樗鼈兪窍鄬?duì)板外的地而建立的。結(jié)果可能在某個(gè)位置發(fā)生ESD事件，并致使電路板上的某個(gè)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(gè)函數(shù)
 

 堡壘的作用

利用板級(jí)ESD，你可以嘗試建立一個(gè)堡壘，并在“護(hù)城河”上建立多個(gè)受控的接入點(diǎn)。連接到“城墻”之外的部分可以被廣義地分成幾個(gè)類別：協(xié)議受控的數(shù)據(jù)、低帶寬檢測(cè)和控制線以及高速接口。前兩個(gè)比較容易處理，第三個(gè)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(hù)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(xì)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(dǎo)電性的塑料或其它現(xiàn)代材料。

 

電路設(shè)計(jì)人員通常沒法控制建造城墻的材料，但對(duì)保護(hù)堡壘負(fù)有不可推卸的責(zé)任。在設(shè)計(jì)外殼時(shí)需要注意，到達(dá)機(jī)箱外部任何部分的ESD都會(huì)有無數(shù)路徑進(jìn)入內(nèi)部電路。

 

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

作為一個(gè)設(shè)計(jì)工程師，你會(huì)要求每個(gè)人系好他們的安全帶，這樣可以對(duì)付少量的氣流。飛機(jī)可能快速地上下擺動(dòng)，但如果每個(gè)人都系好了安全帶，那么所有人都會(huì)固定在原位，飛機(jī)也會(huì)繼續(xù)飛行。在這之后，你需要保護(hù)外部連接，并限制ESD事件效應(yīng)。

 

保護(hù)電路應(yīng)該位于電路板入口位置，而不是入口點(diǎn)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(gè)數(shù)字應(yīng)該看起來比較熟悉，因?yàn)檫@些器件是專門針對(duì)與許多CMOS器件有關(guān)的需求設(shè)計(jì)的。一種規(guī)格不可能滿足所有需求，它們應(yīng)該是適合要保護(hù)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(hù)沒有很多設(shè)計(jì)余量且電壓范圍有限的晶體管，這點(diǎn)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(hù)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(jī)處理時(shí)發(fā)生的信號(hào)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(yīng)。

 

圖4：簡(jiǎn)單的限壓電壓可以提供過壓保護(hù)，但可能導(dǎo)致浪涌電流問題。浪涌電流應(yīng)該被限制，而信號(hào)應(yīng)該保持相對(duì)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(yīng)力。

 

通常帶寬限制本身不會(huì)解決ESD問題。低通濾波器對(duì)小型ESD的衰減也要求60dB至150dB才能消除瞬態(tài)電壓，這對(duì)簡(jiǎn)單的無源濾波器來說是很難做到的。TVS限壓器可以將信號(hào)下拉到電源軌之間。

 

然后一階RC電路可以用來保持信號(hào)的完整性(圖4)。電容也可以穩(wěn)定相對(duì)于局部地的輸入電壓。這種方法可以很好地保護(hù)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(duì)象。

雖然我們討論的大部分內(nèi)容是保護(hù)PCB的輸入端口，但輸出端口保護(hù)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(dǎo)體損壞，并保護(hù)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(yuǎn)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(shí)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(hù)功能有些折衷。硅片和金屬都針對(duì)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(duì)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(hù)功能的I/O單元會(huì)占用相當(dāng)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(hù)電路，因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生容性負(fù)載。

 

作為一般經(jīng)驗(yàn)，芯片內(nèi)部的ESD保護(hù)程度只是足以完成IC生產(chǎn)并焊接到PCB上，但缺少應(yīng)用環(huán)境通常需要的魯棒性保護(hù)性能。如果連接需要離開PCB，通常需要利用外部裝置進(jìn)行進(jìn)一步的保護(hù)。

 

數(shù)據(jù)通信端口

正確設(shè)計(jì)的通信端口會(huì)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(cè)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(jì)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(cuò)誤，將發(fā)出重新發(fā) 送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。

 

由于ESD事件持續(xù)時(shí)間不到100ns，因此CRC檢查、驗(yàn)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(shí)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(hù)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(jì)在PCB上工作，無法驗(yàn)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(yàn)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(hào)(LVDS)。每個(gè)LVDS連接需要像所有其它信號(hào)一樣受到TVS保護(hù)。磁場(chǎng)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(hào)與PCB不共享同一個(gè)地時(shí)，應(yīng)該采取光學(xué)隔離或磁場(chǎng)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(hù)可以避免這個(gè)問題。

 

模擬信號(hào)與數(shù)字智能
離開或進(jìn)入電路板的任何模擬信號(hào)都需要基本的TVS保護(hù)。需要考慮連接通道的帶寬以判斷下一步應(yīng)采取其它什么措施。大多數(shù)模擬控制信號(hào)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、音頻和指示燈不需要更多的措施，因?yàn)樗闷骷捻憫?yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。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(cuò)機(jī)制提供自我糾正。

硬件只能提供這么多保護(hù)。如果系統(tǒng)中心的某個(gè)處理器需要完成監(jiān)聽和控制，那么還需要一些選項(xiàng)。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(fù)位周期。在這個(gè)主機(jī)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(shí)別錯(cuò)誤的信息并進(jìn)行正確的處理。通過時(shí)分輪詢端口可以方便地解決慢速檢測(cè)和控制線問題。由于ESD事件非常短暫，如果對(duì)幾個(gè)毫秒內(nèi)的多個(gè)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(zāi)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(chǔ)器單元這一步是不需要的，但如果數(shù)據(jù)是通過遠(yuǎn)程鎖定的，那就需要用刷新例程來管理破壞事件。