通過(guò)發(fā)現ESD保護器件說(shuō)明書(shū)中的“不可告人的秘密”，更快地構造可靠的電路保護設計

　　如果沒(méi)有足夠的保護，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，現如今這些電子元器件對高于3.3V直流電壓的靜電承受能力非常不均衡，從而導致了嚴重的靜電放電脈沖損害。很多因素導致了電壓額定范圍的降低，包括現在最先進(jìn)的集成電路生產(chǎn)尺寸的更小化。芯片上的ESD保護的水平也同樣降低了。然而，最重要的因素也許是諸如超級本、平板電腦、智能手機、MP3播放器、數碼相機等此類(lèi)移動(dòng)設備的廣泛普及。其移動(dòng)本質(zhì)是指在不受控制以及潛在的充滿(mǎn)靜電的環(huán)境下僅用板上電路保護其免受意外的沖擊，它們便可以“不停地”使用。要確保這些設備的壽命，需要對印刷電路板上(PCB)相應的靜電放電保護器件進(jìn)行認真的定位與選擇。

　　ESD保護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(xiàn)是有效使用ESD保護器件的關(guān)鍵。如果未采用合理的布局設計，即便是最理想的保護方案也毫無(wú)用武之地。在新的電路設計人員中，最常見(jiàn)的位置錯誤類(lèi)型可能就是將ESD保護器件放置于總線(xiàn)或被保護的數據線(xiàn)上的板上“任何合適的地方”，而不是花費一些時(shí)間重新進(jìn)行電路板的設計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。所選擇的器件應盡可能地靠近接頭(連接器)或者被保護的按鈕/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(huà)，器件的安裝也應盡量地靠近數據/信號線(xiàn)，以避免短線(xiàn)痕跡。這樣也可以消除引起電路損壞的電壓尖峰的引線(xiàn)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)設計是同等重要的。

　　盡管來(lái)自于不同生產(chǎn)商的一些同類(lèi)的ESD保護器件的技術(shù)參數看似是提供了相同的性能，但是認為他們會(huì )提供同等水平的保護是不可信的。在決定器件是否適合特定的ESD保護應用之前，需要再多花費一些時(shí)間全面地檢查一下所有的技術(shù)參數，包括所有相關(guān)的腳注。這不僅包括電參數列表，也包括概括器件性能的繪圖。例如，在一些供應商提供的數據表中，描繪顯示ESD波形的器件的“鉗位電壓”的繪圖通常不會(huì )提供電路或硬件設計者所關(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遠低于8kV (如2kV、4kV或6kV)的工業(yè)標準。盡管產(chǎn)生的波形圖或鉗位電壓可能會(huì )讓讀者對此器件產(chǎn)生良好的印象，但是對腳注的進(jìn)一步閱讀會(huì )反映出在使用電子產(chǎn)品時(shí)，繪圖與消費者實(shí)際生活的應用是不相關(guān)的。

　　這是對那些太過(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)標準下規定的脈沖波形，這一標準最初是靜電放電敏感性分類(lèi)(軍用規格)中方法3015.8，MIL-STD-883的一部分。這項標準僅僅與諸如位于裝配線(xiàn)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，在測試期間，很少有供應商細心地選擇使用這種人體模式脈沖，因為只有很少的能量從測試中的保護器件中通過(guò)，這也使所產(chǎn)生的鉗位電壓參數看起來(lái)更佳。

　　相關(guān)的脈沖波形以及將日常的ESD保護設計成一款電子產(chǎn)品所需的標準源于國際電工委員會(huì )的IEC61000-4-2標準。這種標準是系統級的測試，在終端用戶(hù)環(huán)境中，對向電子器件放電的帶電人員重復進(jìn)行測試。這種系統級測試的目的在于保證正常運行下的成品的壽命。人們普遍認為產(chǎn)品用戶(hù)不會(huì )采取任何降低ESD壓力的預防措施。

　　當對聲稱(chēng)按照IEC61000-4-2波形進(jìn)行測試的器件的鉗位電壓進(jìn)行評估時(shí)，我們需要意識到欠嚴謹的供應商可能會(huì )提供顯示低鉗位電壓的繪圖，但是不會(huì )對獲得繪圖的被測器件和示波器之間所使用的外部衰減器的技術(shù)指標行標注。如果沒(méi)有衰減器的信息，那么就沒(méi)有辦法精確地對與波形圖相關(guān)的數字進(jìn)行解釋。去查找一下諸如“使用10x的衰減器”此類(lèi)的注釋?zhuān)@樣你就會(huì )了解到在繪圖中應該乘以哪些數字，從而評估器件對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25kV 的ESD脈沖進(jìn)行測試的結果。波形與國際電工委員會(huì )或人體模式標準下的任何標準的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)標準，但是讀者需要知道究竟是哪一個(gè)，因為兩者的能量是非常不同的。

　　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，所使用的試驗脈沖可能并沒(méi)有和標準國際電工委員會(huì )脈沖相同的能量，在一對一的基礎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)現的，因為1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。而這也遠遠高于繪圖中顯示的10V。結果人們往往相信為了捕捉電波會(huì )使用相對較慢的示波器或者相信產(chǎn)生的數據可能進(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保護或者為國際電工技術(shù)委員會(huì )標準的93.75A。因此為了達到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?。此數值不僅是不現實(shí)的，也會(huì )否定電器規格表中按照鉗位電壓計算的動(dòng)態(tài)電阻的結果(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據表的時(shí)候要更加的注意。

　　讓我們在展示特征形式的圖2中對更典型的鉗位ESD波形和誤導性的過(guò)沖和鉗位電壓進(jìn)行比較。

　　圖2不僅對典型的波形進(jìn)行了描述，而且對印刷電路板上寄生電感引起的鉗位波形進(jìn)行測量時(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器件性能的最佳方法。

　　具有悟性的設計師總是使用動(dòng)態(tài)電阻的參數對ESD器件進(jìn)行比較，因為這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集成電路的。力特提供的動(dòng)態(tài)電阻在數據表中一直是一個(gè)單獨的項目(圖3)，但是在當前水平下很容易就能使用鉗位電壓對其進(jìn)行計算。

　　關(guān)于鉗位電壓需要注意的一點(diǎn)就是一些供應商把它列入了說(shuō)明書(shū)，但是卻只測試了二極管矩陣中的中心TVS(穩壓二極管)，對正向二級管和穩壓二極管的結合并沒(méi)有進(jìn)行測試，這也就是我們從連接到地的被保護的輸入/輸出中所看到的現象(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，力特一直都運用已知的可復驗的波形對鉗位電壓進(jìn)行測試與說(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計人員期望的器件本身的實(shí)際鉗位性能中。

　　ESD保護器件的電容可以用不同的方法進(jìn)行測量，通常情況下，僅僅依靠閱讀數據表對不同的器件進(jìn)行比較是很困難的。一些供應商通過(guò)使用電源引腳或者輸入/輸出中的直流偏壓對器件的電容進(jìn)行測試，從而展示更低的電容值。如果使用大數據的直流偏壓，那么這就是一種誤導，因為所使用的偏壓越大，電容特性越低。有時(shí)候，用于測量電容的直流偏壓可以高于系統或者應用程序中使用的偏壓。若想對考慮中的器件的電容有更多的了解，注意標注有在0V進(jìn)行的測量的電容規格，因為這是最糟糕的電容水平，在大多數情況下，當添加直流偏壓時(shí)，數值只會(huì )變得更低。

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

　　為了幫助設計人員挑選合適的應用器件，力特在每個(gè)數據表中都應用了三種方法對電容進(jìn)行了測試和說(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。