堡壘的作用 - 電路設計中如何防止靜電放電?

　　堡壘的作用

　　利用板級ESD，你可以嘗試建立一個堡壘，并在“護城河”上建立多個受控的接入點。連接到“城墻”之外的部分可以被廣義地分成幾個類別：協(xié)議受控的數(shù)據(jù)、低帶寬檢測和控制線以及高速接口。前兩個比較容易處理，第三個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，某種形式的保護性外殼將成為設備的一部分。隔離外殼內(nèi)的電路是需要仔細考慮的第一道防線。在理想情況下，連接電路板地的金屬外殼通常能起使用，但現(xiàn)代產(chǎn)品經(jīng)常采用非導電性的塑料或其它現(xiàn)代材料。

　　電路設計人員通常沒法控制建造城墻的材料，但對保護堡壘負有不可推卸的責任。在設計外殼時需要注意，到達機箱外部任何部分的ESD都會有無數(shù)路徑進入內(nèi)部電路。

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

　　作為一個設計工程師，你會要求每個人系好他們的安全帶，這樣可以對付少量的氣流。飛機可能快速地上下擺動，但如果每個人都系好了安全帶，那么所有人都會固定在原位，飛機也會繼續(xù)飛行。在這之后，你需要保護外部連接，并限制ESD事件效應。

　　保護電路應該位于電路板入口位置，而不是入口點的下游。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。

　　這個數(shù)字應該看起來比較熟悉，因為這些器件是專門針對與許多CMOS器件有關的需求設計的。一種規(guī)格不可能滿足所有需求，它們應該是適合要保護器件的正確電壓。

　　現(xiàn)代CMOS工藝顯著降低了電源電壓，以保護沒有很多設計余量且電壓范圍有限的晶體管，這點值得我們尊敬。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處理時發(fā)生的信號混亂現(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。

　　圖4：簡單的限壓電壓可以提供過壓保護，但可能導致浪涌電流問題。浪涌電流應該被限制，而信號應該保持相對局部地的穩(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)應力。

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

　　然后一階RC電路可以用來保持信號的完整性（圖4）。電容也可以穩(wěn)定相對于局部地的輸入電壓。這種方法可以很好地保護數(shù)量很多的低帶寬輸入，包括“設置并忘記的”控制線、傳感器輸入和類似對象。

　　雖然我們討論的大部分內(nèi)容是保護PCB的輸入端口，但輸出端口保護也是類似的。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體損壞，并保護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保護功能有些折衷。硅片和金屬都針對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保護功能的I/O單元會占用相當大的空間，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保護電路，因為它會產(chǎn)生容性負載。

　　作為一般經(jīng)驗，芯片內(nèi)部的ESD保護程度只是足以完成IC生產(chǎn)并焊接到PCB上，但缺少應用環(huán)境通常需要的魯棒性保護性能。如果連接需要離開PCB，通常需要利用外部裝置進行進一步的保護。

　　數(shù)據(jù)通信端口

　　正確設計的通信端口會使用魯棒性的協(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。設計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)生了錯誤，將發(fā)出重新發(fā)送數(shù)據(jù)的請求。

　　由于ESD事件持續(xù)時間不到100ns，因此CRC檢查、驗證和重新發(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)中沒有保護措施。

　　I2C、串行外設接口（SPI）和系統(tǒng)管理總線（SMBus）通信設計在PCB上工作，無法驗證和糾正數(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（LVDS）。每個LVDS連接需要像所有其它信號一樣受到TVS保護。磁場隔離（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。在輸入信號與PCB不共享同一個地時，應該采取光學隔離或磁場隔離措施。

　　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)議保護可以避免這個問題。

　　模擬信號與數(shù)字智能

　　離開或進入電路板的任何模擬信號都需要基本的TVS保護。需要考慮連接通道的帶寬以判斷下一步應采取其它什么措施。大多數(shù)模擬控制信號、運動控制系統(tǒng)、音頻和指示燈不需要更多的措施，因為所用器件的響應時間較長。射頻前端是通信通道的物理層，由作為協(xié)議一部分的檢錯機制提供自我糾正。

　　硬件只能提供這么多保護。如果系統(tǒng)中心的某個處理器需要完成監(jiān)聽和控制，那么還需要一些選項。這里介紹的技術能使你的處理器不再丟失，或需要經(jīng)過復位周期。在這個主機控制下到底發(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，以便它能識別錯誤的信息并進行正確的處理。通過時分輪詢端口可以方便地解決慢速檢測和控制線問題。由于ESD事件非常短暫，如果對幾個毫秒內(nèi)的多個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。如果處理器是存儲器單元這一步是不需要的，但如果數(shù)據(jù)是通過遠程鎖定的，那就需要用刷新例程來管理破壞事件。