通過(guò)發(fā)現(xiàn)ESD保護(hù)器件說(shuō)明書(shū)中的“不可告人的秘密”，更快地構(gòu)造可靠的電路保護(hù)設(shè)計(jì)

　　如果沒(méi)有足夠的保護(hù)，電子元器件總是容易受到靜電放電(ESD)或者其它過(guò)壓事件的影響。很不幸的是，現(xiàn)如今這些電子元器件對(duì)高于3.3V直流電壓的靜電承受能力非常不均衡，從而導(dǎo)致了嚴(yán)重的靜電放電脈沖損害。很多因素導(dǎo)致了電壓額定范圍的降低，包括現(xiàn)在最先進(jìn)的集成電路生產(chǎn)尺寸的更小化。芯片上的ESD保護(hù)的水平也同樣降低了。然而，最重要的因素也許是諸如超級(jí)本、平板電腦、智能手機(jī)、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)等此類移動(dòng)設(shè)備的廣泛普及。其移動(dòng)本質(zhì)是指在不受控制以及潛在的充滿靜電的環(huán)境下僅用板上電路保護(hù)其免受意外的沖擊，它們便可以“不停地”使用。要確保這些設(shè)備的壽命，需要對(duì)印刷電路板上(PCB)相應(yīng)的靜電放電保護(hù)器件進(jìn)行認(rèn)真的定位與選擇。

　　ESD保護(hù)器件的主要目的是在過(guò)壓事件或電壓瞬變期間提供最低鉗位電阻并聯(lián)接地路徑。合理的印刷電路板布局/走線是有效使用ESD保護(hù)器件的關(guān)鍵。如果未采用合理的布局設(shè)計(jì)，即便是最理想的保護(hù)方案也毫無(wú)用武之地。在新的電路設(shè)計(jì)人員中，最常見(jiàn)的位置錯(cuò)誤類型可能就是將ESD保護(hù)器件放置于總線或被保護(hù)的數(shù)據(jù)線上的板上“任何合適的地方”，而不是花費(fèi)一些時(shí)間重新進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)使器件恰好放置于能經(jīng)受靜電放電或者瞬間電壓過(guò)沖情況的位置。所選擇的器件應(yīng)盡可能地靠近接頭(連接器)或者被保護(hù)的按鈕/開(kāi)關(guān)處，這將確保ESD瞬變電壓一旦進(jìn)入到電路，就能夠被鉗制。同時(shí)，如果可行的話，器件的安裝也應(yīng)盡量地靠近數(shù)據(jù)/信號(hào)線，以避免短線痕跡。這樣也可以消除引起電路損壞的電壓尖峰的引線電感過(guò)沖的可能性。不管怎樣，很明顯的一點(diǎn)是選擇正確的器件與進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)是同等重要的。

　　盡管來(lái)自于不同生產(chǎn)商的一些同類的ESD保護(hù)器件的技術(shù)參數(shù)看似是提供了相同的性能，但是認(rèn)為他們會(huì)提供同等水平的保護(hù)是不可信的。在決定器件是否適合特定的ESD保護(hù)應(yīng)用之前，需要再多花費(fèi)一些時(shí)間全面地檢查一下所有的技術(shù)參數(shù)，包括所有相關(guān)的腳注。這不僅包括電參數(shù)列表，也包括概括器件性能的繪圖。例如，在一些供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)表中，描繪顯示ESD波形的器件的“鉗位電壓”的繪圖通常不會(huì)提供電路或硬件設(shè)計(jì)者所關(guān)心的信息。

　　在某些情形中，指定使用ESD脈沖電平的這些器件的鉗位電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于8kV (如2kV、4kV或6kV)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。盡管產(chǎn)生的波形圖或鉗位電壓可能會(huì)讓讀者對(duì)此器件產(chǎn)生良好的印象，但是對(duì)腳注的進(jìn)一步閱讀會(huì)反映出在使用電子產(chǎn)品時(shí)，繪圖與消費(fèi)者實(shí)際生活的應(yīng)用是不相關(guān)的。

　　這是對(duì)那些太過(guò)完美的說(shuō)明書(shū)的警告。檢查不相關(guān)的脈沖波形的說(shuō)明書(shū)，如人體模式(HBM)標(biāo)準(zhǔn)下規(guī)定的脈沖波形，這一標(biāo)準(zhǔn)最初是靜電放電敏感性分類(軍用規(guī)格)中方法3015.8，MIL-STD-883的一部分。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)僅僅與諸如位于裝配線上的集成電路的ESD接地/手環(huán)等的生產(chǎn)環(huán)境相關(guān)。但是，在測(cè)試期間，很少有供應(yīng)商細(xì)心地選擇使用這種人體模式脈沖，因?yàn)橹挥泻苌俚哪芰繌臏y(cè)試中的保護(hù)器件中通過(guò)，這也使所產(chǎn)生的鉗位電壓參數(shù)看起來(lái)更佳。

　　相關(guān)的脈沖波形以及將日常的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)成一款電子產(chǎn)品所需的標(biāo)準(zhǔn)源于國(guó)際電工委員會(huì)的IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。這種標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試，在終端用戶環(huán)境中，對(duì)向電子器件放電的帶電人員重復(fù)進(jìn)行測(cè)試。這種系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的目的在于保證正常運(yùn)行下的成品的壽命。人們普遍認(rèn)為產(chǎn)品用戶不會(huì)采取任何降低ESD壓力的預(yù)防措施。

　　當(dāng)對(duì)聲稱按照IEC61000-4-2波形進(jìn)行測(cè)試的器件的鉗位電壓進(jìn)行評(píng)估時(shí)，我們需要意識(shí)到欠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓?yīng)商可能會(huì)提供顯示低鉗位電壓的繪圖，但是不會(huì)對(duì)獲得繪圖的被測(cè)器件和示波器之間所使用的外部衰減器的技術(shù)指標(biāo)行標(biāo)注。如果沒(méi)有衰減器的信息，那么就沒(méi)有辦法精確地對(duì)與波形圖相關(guān)的數(shù)字進(jìn)行解釋。去查找一下諸如“使用10x的衰減器”此類的注釋，這樣你就會(huì)了解到在繪圖中應(yīng)該乘以哪些數(shù)字，從而評(píng)估器件對(duì)ESD脈沖的真正反映。

　　注意信息與繪圖以及電氣特性之間的不同點(diǎn)。一般情況下，繪圖中都會(huì)有一些不相符的地方。圖1就是供應(yīng)商的“過(guò)沖與鉗位圖”的一個(gè)例子，這張圖展示了用1/30毫微秒波形對(duì)25kV 的ESD脈沖進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。波形與國(guó)際電工委員會(huì)或人體模式標(biāo)準(zhǔn)下的任何標(biāo)準(zhǔn)的ESD脈沖都沒(méi)有直接的聯(lián)系。它可以在使用時(shí)接近任何一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但是讀者需要知道究竟是哪一個(gè)，因?yàn)閮烧叩哪芰渴欠浅２煌摹?/p>

　　30納秒點(diǎn)(下降時(shí)間的50%點(diǎn))也是非常典型的。它典型地闡述了雷電脈沖的特性，因此，所使用的試驗(yàn)脈沖可能并沒(méi)有和標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際電工委員會(huì)脈沖相同的能量，在一對(duì)一的基礎(chǔ)上也是不能直接比較的。同時(shí)，圖1 繪圖中展示的過(guò)沖幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)?毫微秒的上升時(shí)間中它并沒(méi)有反映電感的效果，它至少會(huì)產(chǎn)生30~40V的尖峰電壓。而這也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于繪圖中顯示的10V。結(jié)果人們往往相信為了捕捉電波會(huì)使用相對(duì)較慢的示波器或者相信產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能進(jìn)行了一些“后置處理”。除了波形的問(wèn)題之外，還需要特別注意此結(jié)果與電氣特性并不相符。器件的最小擊穿電壓列為6V，那么假設(shè)器件開(kāi)啟到了那個(gè)水平。在檢查繪圖時(shí)，我們看到在25 kV的沖擊后，它會(huì)上升到10V，等同于穿過(guò)ESD保護(hù)或者為國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的93.75A。因此為了達(dá)到10V的鉗位電壓，整個(gè)擊穿過(guò)程需要增加4V電壓，動(dòng)態(tài)電阻必須為0.042?。此數(shù)值不僅是不現(xiàn)實(shí)的，也會(huì)否定電器規(guī)格表中按照鉗位電壓計(jì)算的動(dòng)態(tài)電阻的結(jié)果(在這種情況下，可能更接近2?)?？偠灾?，很明顯這里遺漏了一些東西，所以我們需要在檢查數(shù)據(jù)表的時(shí)候要更加的注意。

　　讓我們?cè)谡故咎卣餍问降膱D2中對(duì)更典型的鉗位ESD波形和誤導(dǎo)性的過(guò)沖和鉗位電壓進(jìn)行比較。

　　圖2不僅對(duì)典型的波形進(jìn)行了描述，而且對(duì)印刷電路板上寄生電感引起的鉗位波形進(jìn)行測(cè)量時(shí)看到的最初的峰值電壓進(jìn)行了描述。因此，按照繪圖判斷性能并不是決定保護(hù)器件性能的最佳方法。

　　具有悟性的設(shè)計(jì)師總是使用動(dòng)態(tài)電阻的參數(shù)對(duì)ESD器件進(jìn)行比較，因?yàn)檫@種方法消除了所有的次要影響，并且展示了器件在過(guò)壓過(guò)程(即靜電放電)中是如何利用鉗位電壓保護(hù)集成電路的。力特提供的動(dòng)態(tài)電阻在數(shù)據(jù)表中一直是一個(gè)單獨(dú)的項(xiàng)目(圖3)，但是在當(dāng)前水平下很容易就能使用鉗位電壓對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

　　關(guān)于鉗位電壓需要注意的一點(diǎn)就是一些供應(yīng)商把它列入了說(shuō)明書(shū)，但是卻只測(cè)試了二極管矩陣中的中心TVS(穩(wěn)壓二極管)，對(duì)正向二級(jí)管和穩(wěn)壓二極管的結(jié)合并沒(méi)有進(jìn)行測(cè)試，這也就是我們從連接到地的被保護(hù)的輸入/輸出中所看到的現(xiàn)象(見(jiàn)圖4)。貌似我們最好不考慮正向二極管的作用，但是這樣就掩蓋了它在電路中的實(shí)際性能。

　　相比較而言，力特一直都運(yùn)用已知的可復(fù)驗(yàn)的波形對(duì)鉗位電壓進(jìn)行測(cè)試與說(shuō)明，例如來(lái)自于給出的輸入/輸出到地面的8/20µs脈沖 (或者在一些情況下，輸入/輸出到輸入/輸出)，這樣，所有的電路參量都包含在展示設(shè)計(jì)人員期望的器件本身的實(shí)際鉗位性能中。

　　ESD保護(hù)器件的電容可以用不同的方法進(jìn)行測(cè)量，通常情況下，僅僅依靠閱讀數(shù)據(jù)表對(duì)不同的器件進(jìn)行比較是很困難的。一些供應(yīng)商通過(guò)使用電源引腳或者輸入/輸出中的直流偏壓對(duì)器件的電容進(jìn)行測(cè)試，從而展示更低的電容值。如果使用大數(shù)據(jù)的直流偏壓，那么這就是一種誤導(dǎo)，因?yàn)樗褂玫钠珘涸酱螅娙萏匦栽降?。有時(shí)候，用于測(cè)量電容的直流偏壓可以高于系統(tǒng)或者應(yīng)用程序中使用的偏壓。若想對(duì)考慮中的器件的電容有更多的了解，注意標(biāo)注有在0V進(jìn)行的測(cè)量的電容規(guī)格，因?yàn)檫@是最糟糕的電容水平，在大多數(shù)情況下，當(dāng)添加直流偏壓時(shí)，數(shù)值只會(huì)變得更低。

　　另一個(gè)需要注意的數(shù)據(jù)表的“詭計(jì)”就是指定電容為唯一的正向二級(jí)管，目的是為了讓這一部分看起來(lái)更加美觀。在電源線間，電路其實(shí)有兩個(gè)轉(zhuǎn)向二極管 (見(jiàn)圖4)，因此正如數(shù)據(jù)表所示，數(shù)據(jù)線要克服雙倍的電容。在很多諸如USB或HDMI的高速應(yīng)用程序中，這可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)完整性問(wèn)題或者徹底的系統(tǒng)性故障。

　　為了幫助設(shè)計(jì)人員挑選合適的應(yīng)用器件，力特在每個(gè)數(shù)據(jù)表中都應(yīng)用了三種方法對(duì)電容進(jìn)行了測(cè)試和說(shuō)明。此電容一直都是在0V偏壓、直流偏壓(通常為2.5 或5V)下進(jìn)行測(cè)量的，在繪圖中直流偏壓的范圍從0V 到器件的VRWM或者關(guān)斷電壓。