ESD電路保護(hù)設(shè)計(jì)中的若干關(guān)鍵問題

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　　兼顧ESD抑制器件的電容和布局因素的超高速數(shù)據(jù)傳輸線路保護(hù)電路設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)實(shí)用而可靠的產(chǎn)品過程中面臨著許多靜電放電（ESD）問題。不僅如此，電子產(chǎn)品市場向更高數(shù)據(jù)吞吐量和信號速度發(fā)展的趨勢更使這本已復(fù)雜的問題雪上加霜。ESD保護(hù)基本上分為兩類：即在制造過程中的保護(hù)以及在“現(xiàn)實(shí)”環(huán)境中的保護(hù)。

　　除了保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸線路之外，ESD抑制器件必須保持其信號的完整性。把ESD抑制器設(shè)置得距其保護(hù)的線路過遠(yuǎn)有可能降低其有效性。電路板跡線（Board Trace）電感會在芯片上引起額外的電壓，即“過沖”。為避免發(fā)生這一現(xiàn)象，應(yīng)盡量把ESD抑制器安放得靠近受保護(hù)線路。底線是ESD“解決方案”的選擇不再像選擇一個(gè)額定參數(shù)與電路工作電壓相符的抑制器那么簡單。目前，一種比較有效的解決方案是把電路板的布局以及ESD抑制器件的非抑制電特性考慮在內(nèi)。在深入研究ESD保護(hù)的詳細(xì)內(nèi)容之前，回顧一下它的基本知識將有所幫助。

　　ESD在制造過程中的保護(hù)

　　每當(dāng)兩種不同的材料相互接觸后分開時(shí)，就會產(chǎn)生這種所謂的“摩擦生電”效應(yīng)。電荷隨后轉(zhuǎn)移至電位較低的物體這一現(xiàn)象被稱為“靜電放電”。

　　擺在設(shè)計(jì)、質(zhì)量和可靠性組織面前的課題是如何應(yīng)對其電子產(chǎn)品上的靜電轉(zhuǎn)移效應(yīng)。如果ESD脈沖進(jìn)入到電子裝置的內(nèi)部，則會對內(nèi)部電路造成實(shí)際損壞。據(jù)ESD協(xié)會估計(jì)：由用戶活動所產(chǎn)生的ESD導(dǎo)致的產(chǎn)品受損平均占到27%～33%.不管產(chǎn)品損耗發(fā)生在用戶端還是在制造過程中，ESD都會招致產(chǎn)品可靠性的下降并減少公司的利潤。為了對降低由ESD導(dǎo)致的損耗提供幫助，芯片制造商可以在其集成電路模片中采用TVS結(jié)構(gòu)。這將使得它們性能更加穩(wěn)定，并有助于提高芯片生產(chǎn)和電路板制造過程的成品率。

　　ESD在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的保護(hù)

　　當(dāng)把電子產(chǎn)品從制造環(huán)境中挪到實(shí)際日常應(yīng)用中將產(chǎn)生很大問題。由最終用戶生成并引入電子裝置的ESD比在受控制造環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的ESD要嚴(yán)重得多。這就意味著一個(gè)能在制造過程中實(shí)現(xiàn)高成品率的設(shè)計(jì)有可能在現(xiàn)場使用時(shí)產(chǎn)生較大的損耗。因此，人們對ESD的關(guān)注焦點(diǎn)已經(jīng)從芯片強(qiáng)化（Chip Hardening）向系統(tǒng)強(qiáng)化（System Hardening）轉(zhuǎn)變。

　　ESD抑制：IC或ASIC即使經(jīng)受住了制造過程的考驗(yàn)也不能保證就能通過用戶“實(shí)際”使用的檢驗(yàn)。目前，設(shè)計(jì)師有無數(shù)現(xiàn)成的ESD保護(hù)方案可以選擇，包括隔離電路、濾波電路和抑制元件（如多層可變電阻、硅二極管和新推出的聚合物抑制器）。

　　雖然這些方法均能增強(qiáng)電子裝置的抗ESD性能，但在選擇過程中還需考慮一些固有特性。顯而易見的特性包括外形尺寸、引出腳配置、焊點(diǎn)布局和漏電流。但是，隨著人們對于電路提供更高的信息吞吐量的要求日益迫切，另一個(gè)特性變得非常重要，這就是電容。

　　電容和信號完整性：不管是過去還是現(xiàn)在，抑制器的固有封裝電容都可被設(shè)計(jì)師所利用。在信號頻率與任何的干擾頻率（像EMI“噪聲”和ESD瞬變）之間具有高隔離度的場合，電容還能夠起到濾波的作用。本質(zhì)上起著類似低通濾波器作用的抑制器為瞬變抑制提供箝位功能，并可對耦合到受保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸線路中的干擾高頻信號進(jìn)行EMI濾波。

　　例如，蜂窩電話的耳機(jī)終端工作于較低的頻率（音頻范圍），而ESD和蜂窩電話的工作頻率則高得多（900至1900MHz）。這里，從用戶角度來看，大電容多層可變電阻和二極管是實(shí)施ESD保護(hù)的理想選擇。它們所具有的一個(gè)額外優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)Χ鷻C(jī)線輸出的蜂窩電話輻射信號進(jìn)行濾波。

　　然而，這一“優(yōu)點(diǎn)”在信號速度提高時(shí)卻會成為一個(gè)“缺點(diǎn)”。人們對于高信息吞吐量（視頻、音頻、數(shù)據(jù)）的需求對數(shù)據(jù)傳輸速率的提高起到了推動作用。這些“高速”數(shù)據(jù)傳輸線路的實(shí)例包括USB2.0、IEEE1394、吉位以太網(wǎng)和InfiniBand協(xié)議。所有這些協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸率均超過了100Mbits/s.

　　不過，所有這些有助于消除干擾噪聲的高傳輸速度和電容同時(shí)又會濾除數(shù)據(jù)信號本身，導(dǎo)致有可能使系統(tǒng)無法運(yùn)行的失真數(shù)據(jù)波形。失真表現(xiàn)為由較慢的上升和下降時(shí)間所致的高態(tài)/低態(tài)瞬變的前沿和后沿被修圓。

　　上升和下降時(shí)間較慢會給系統(tǒng)帶來一些問題，其中最重要的是時(shí)序問題。電路在特定的時(shí)間需要穩(wěn)定的“高”態(tài)和“低”態(tài)。隨著各狀態(tài)之間過渡時(shí)間的增加，電路有可能檢測到不完整的過渡期，從而將數(shù)據(jù)誤差引入系統(tǒng)。

　　只要控制電路的信息與預(yù)定的協(xié)議相符，電路就會按照原先的設(shè)計(jì)正常工作。當(dāng)信號元件性能下降時(shí)，電路識別預(yù)定信息的能力也隨之下降。從電路保護(hù)的角度來看，其目的是為電路提供ESD保護(hù)并保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性，而不是干擾電路的正常工作。

　　為了調(diào)查封裝電容對數(shù)據(jù)完整性的影響，我們收集了兩種數(shù)據(jù)頻率上的測試結(jié)果。這里，關(guān)鍵因素并不是所采用的具體技術(shù)，而是電容值。測試所采用的產(chǎn)品是：

　　0.050 pF的PGB0010603 PulseGuard 抑制器

　　1.0 pF的ML陶瓷電容器

　　10.0 pF的ML陶瓷電容器

　　660 pF的V5.5MLA0603多層可變電阻器

　　當(dāng)12Mbit/s波形的上升時(shí)間（10/90%）較快時(shí)（0.242ns），則其保持電平的時(shí)間要長得多（80ns）。在此數(shù)據(jù)傳輸率條件下，10pF或更小的電容值將使得數(shù)據(jù)通過時(shí)的失真最小。由圖可以清楚地看到采用660pF電容值時(shí)數(shù)據(jù)脈沖的前沿和后沿是如何被修圓的。

　　這里，用480Mbits/s的數(shù)據(jù)波形對相同的器件進(jìn)行測試。兩種信號的上升時(shí)間是相同的（0.242ns），但480Mbits/s信號具有短得多的電平保持時(shí)間（2.0ns）。

　　在這種場合，660pF電容造成了相當(dāng)大的失真，以致于波形甚至無法達(dá)到信號工作電壓。實(shí)質(zhì)上，數(shù)據(jù)均不是通過信號線傳送的。即便是在這種場合，660pF電容造成了相當(dāng)大的失真，以致于波形甚至無法達(dá)到信號工作電壓。實(shí)質(zhì)上，數(shù)據(jù)均不是通過信號線傳送的。即便是10pF的電容值也足以引起巨大的波形失真。它減少了電平保持時(shí)間并使前沿和后沿

　　沿的形狀大為改變。采用1.0pF電容值時(shí)的邊緣失真較小，而采用0.050pF電容值時(shí)，數(shù)據(jù)波形通過時(shí)沒有失真。附表列出了波形（位速率為480Mbits/s）對應(yīng)每種電容值的上升時(shí)間（10/90%）。

　　該數(shù)據(jù)揭示了在進(jìn)行超高速系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸線路保護(hù)時(shí)ESD抑制器的電容特性的重要性。盡管現(xiàn)有的各種抑制器均能夠提供有效的ESD保護(hù)功能，但不能以犧牲系統(tǒng)的信號完整性為代價(jià)。因此，在把ESD抑制器引入電路設(shè)計(jì)之前，必須對其電容有所考慮。具有極低電容值的ESD抑制元件（如PulseGuard器件）能夠在提供ESD保護(hù)功能的同時(shí)保持高速數(shù)據(jù)信號的數(shù)據(jù)完整性。

　　安裝方面的考慮：當(dāng)選擇了一個(gè)抑制和電特性（漏電流、電容）與電路參數(shù)相吻合的ESD抑制器之后，還需要作出另一項(xiàng)選擇：抑制器應(yīng)安裝在電路板的什么位置上才能優(yōu)化電路的ESD保護(hù)？“優(yōu)化”ESD保護(hù)指的是使受保護(hù)芯片上的ESD瞬變盡可能少。

　　高速信號和瞬變（如ESD）帶來了另一個(gè)寄生特性電感。尤其值得關(guān)注的是用來實(shí)現(xiàn)連接器、芯片及其他任何配套元件之間互連的電路板上跡線的寄生電感。與電容效應(yīng)相似，由電路板跡線所產(chǎn)生的電感將不會影響低頻信號。但是，在高速條件下，這種電感將產(chǎn)生有可能影響信號完整性的阻抗分量?；貞浺幌赂锌沟挠?jì)算公式：XL = L.該式也可寫成：XL = 2 fL.當(dāng)高頻信號（如ESD）通過時(shí)，少量的跡線電感可能轉(zhuǎn)換成巨大的阻抗。設(shè)計(jì)師可通過在ESD抑制器和受保護(hù)芯片之間設(shè)置盡可能大的距離的方法來利用上述特性。給出了下列電感值：。L1 連接器與ESD抑制器之間的電感。L2 ESD抑制器與芯片I/O引腳之間的電感。L3 I/O線與ESD抑制器之間的電感（短截線跡）

　　實(shí)質(zhì)上，L2將消耗掉ESD抑制器箝位動作之后剩余的ESD脈沖的能量。ESD脈沖的電壓和電流衰減發(fā)生于能量在電路板跡線周圍的磁場中存儲和消耗的過程中。請注意電路板跡線的長度與最終到達(dá)芯片I/O引腳的ESD脈沖能量呈反比關(guān)系。隨著跡線長度的增加，ESD脈沖的強(qiáng)度（由芯片承受）下降。ESD脈沖強(qiáng)度的下降將轉(zhuǎn)化成芯片承受應(yīng)力的減弱。

　　曲線示出了在一塊測試電路板上的兩個(gè)位置上測得的電壓與時(shí)間之間的數(shù)值關(guān)系，它們幫助我們了解了ESD抑制器件的安放位置所產(chǎn)生的影響。本例中，抑制器安裝在連接器處，即ESD瞬變的入口點(diǎn)。

　　藍(lán)色波形示出了位于ESD抑制器處的I/O線上的測量電壓。抑制器對具有約350V的測量峰值電壓和75V左右的“箝位”（即保持）電壓的1000V傳輸線脈沖發(fā)生器的脈沖作出響應(yīng)。

　　將此與顯示ESD脈沖實(shí)際上到達(dá)IC的綠色波形進(jìn)行對比。在這種場合，一個(gè)3英寸長的跡線（L2）把ESD抑制器與IC用輸入衰減器（Input Pad）連接起來。請注意測得的峰值電壓已被降至60V，且“箝位”電壓約為25V.這意味著什么呢？對電路設(shè)計(jì)師而言，這提供了一種用于最大限度地減少IC和ASIC的I/O輸入端所承受的ESD的策略。增加ESD抑制器與芯片之間的跡線長度能夠顯著地減弱IC所承受的應(yīng)力。這意味著使跡線變長將增加L2的電感值。

　　坦白地說，應(yīng)把ESD抑制器直接放置在連接器的后面。它應(yīng)該是第一個(gè)遭遇ESD瞬變的板級元件。然后，在實(shí)際可行的情況下，任何需要保護(hù)的芯片均應(yīng)盡可能地遠(yuǎn)離ESD抑制器。采取這一方法將極大地減輕集成電路所承受的應(yīng)力。下面羅列的是ESD抑制器安裝位置的相對優(yōu)先級，按從高到低的順序排列如下：。 設(shè)置于作為系統(tǒng)屏蔽（機(jī)殼）中的入口的連接器的內(nèi)部。 安放于電路板跡線與連接器插腳相互作用的位置。 放置于電路板上緊挨在連接器后面的位置。 位于可以高效耦合至I/O線路的性能穩(wěn)定且未受保護(hù)的傳輸線路。 設(shè)置于數(shù)據(jù)傳輸線路上的一個(gè)串聯(lián)阻性元件之前。 位于數(shù)據(jù)傳輸線路上的一個(gè)扇出點(diǎn)之前。 靠近IC和/或ASIC另一個(gè)需要考慮的布局問題是從電路板跡線至ESD抑制器的距離。目標(biāo)是將該距離降至最小。與此跡線相關(guān)聯(lián)的電感以及任何的封裝寄生電感都將在保護(hù)電路中加入阻抗。

　　實(shí)質(zhì)上，隨著與傳輸線路之間距離的增加，ESD抑制器變得越發(fā)與受其保護(hù)的信號線“隔離”開來。請記住，芯片將要承受抑制器兩端的ESD電壓和跡線阻抗兩端的電壓。理想的焊點(diǎn)位置在數(shù)據(jù)傳輸線路的頂部。如果做不到這一點(diǎn)，則應(yīng)最大限度地減少它們之間的距離。

　　最后，機(jī)殼（框架）的地應(yīng)是ESD基準(zhǔn)，而不是信號（數(shù)字）地。目的是把ESD從信號環(huán)境中轉(zhuǎn)移出去。使ESD TVS保護(hù)器件以機(jī)殼的地為基準(zhǔn)，則可免受那些不希望的噪聲效應(yīng)（如接地反跳）的影響。目標(biāo)是盡量保持“干凈”的信號（數(shù)據(jù)）環(huán)境。