電路設(shè)計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，即使只是從地毯上走過然后觸摸某些金屬部件也會在瞬間釋放積累起來的靜電。我們許多人都曾抱怨在實驗室中使用導(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)因為粗心大意使用未受保護(hù)的電路而損毀昂貴的電子元件。

　　對某些人來說ESD是一種挑戰(zhàn)，因為需要在處理和組裝未受保護(hù)的電子元件時不能造成任何損壞。這是一種電路設(shè)計挑戰(zhàn)，因為需要保證系統(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。

　　與人們的常識相反，設(shè)計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)運行。將這個目標(biāo)謹(jǐn)記在心，下面讓我們更好地理解ESD沖擊時到底發(fā)生了什么，然后介紹如何設(shè)計正確的系統(tǒng)架構(gòu)來應(yīng)對ESD。

　　簡單模型

　　將一個電容充電到高電壓(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)，因此必須同時處理好正負(fù)ESD兩種情況。

　　圖1：板級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)電壓一般具有幾個納秒的上升時間和大約100納秒的放電時間受損電路不同，對正負(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)它們在前向偏置或處于齊納擊穿區(qū)時具有很低的阻抗。引入限壓器可以快速引起某些別的事件，因為通過電容放電會有大的浪涌電流經(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，但代之以幾個安培的浪涌電流可能會導(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)到幾個安培。在為芯片設(shè)計I/O單元時，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)。

　　被限壓器強制導(dǎo)入地的電流將在系統(tǒng)的那個節(jié)點中產(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，因為它們是相對板外的地而建立的。結(jié)果可能在某個位置發(fā)生ESD事件，并致使電路板上的某個輸入端看起來出現(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)為連接電感的一個函數(shù)