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?a target="_blank">齊納擊穿區(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)常看到4A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)