電路設計中如何防止靜電放電?

　　我們的手都曾有過(guò)靜電放電(ESD)的體驗，即使只是從地毯上走過(guò)然后觸摸某些金屬部件也會(huì )在瞬間釋放積累起來(lái)的靜電。我們許多人都曾抱怨在實(shí)驗室中使用導電毯、ESD靜電腕帶和其它要求來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)ESD標準。我們中也有不少人曾經(jīng)因為粗心大意使用未受保護的電路而損毀昂貴的電子元件。

　　對某些人來(lái)說(shuō)ESD是一種挑戰，因為需要在處理和組裝未受保護的電子元件時(shí)不能造成任何損壞。這是一種電路設計挑戰，因為需要保證系統承受住ESD的沖擊，之后仍能正常工作，更好的情況是經(jīng)過(guò)ESD事件后不發(fā)生用戶(hù)可覺(jué)察的故障。

　　與人們的常識相反，設計人員完全可以讓系統在經(jīng)過(guò)ESD事件后不發(fā)生故障并仍能繼續運行。將這個(gè)目標謹記在心，下面讓我們更好地理解ESD沖擊時(shí)到底發(fā)生了什么，然后介紹如何設計正確的系統架構來(lái)應對ESD。

　　簡(jiǎn)單模型

　　將一個(gè)電容充電到高電壓(一般是2kV至8kV)，然后通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)將電荷釋放進(jìn)準備承受ESD沖擊的“受損”器件(圖1)。電荷的極性可以是正也可以是負，因此必須同時(shí)處理好正負ESD兩種情況。

　　圖1：板級ESD通常涉及機器模型(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(gè)納秒的上升時(shí)間和大約100納秒的放電時(shí)間受損電路不同，對正負沖擊的敏感性可能也有很大的不同，因此你需要同時(shí)處理好正負沖擊。人體模型(HMB)和機器模型(MM)這兩種最常見(jiàn)模型之間的區別主要在于串聯(lián)電阻。人體模型的導電性沒(méi)有金屬那么好。

　　防止過(guò)壓損壞的最佳保護措施是用非線(xiàn)性電路進(jìn)行限壓或鉗位(圖2)。最常用的是專(zhuān)門(mén)的二極管，當它們在前向偏置或處于齊納擊穿區時(shí)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(guò)電容放電會(huì )有大的浪涌電流經(jīng)過(guò)限壓器。

　　圖2：基本的限壓電路可以防止過(guò)壓損壞

　　雖然消除了高瞬態(tài)電壓，但代之以幾個(gè)安培的浪涌電流可能會(huì )導致系統中出現其它問(wèn)題。具體取決于隨后路徑的總阻抗，浪涌電流可以達到幾個(gè)安培。在為芯片設計I/O單元時(shí)，經(jīng)?？吹?A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設計中的大問(wèn)題。限制電壓還算比較容易，但形成的電流可能使系統中其它地方的電路和地發(fā)生逆轉。

　　被限壓器強制導入地的電流將在系統的那個(gè)節點(diǎn)中產(chǎn)生感應性振鈴現象(圖3)。電源通常沿著(zhù)地線(xiàn)傳播，并且是電源去耦電容的函數，因此系統核心仍能正常工作。不過(guò)連到電路板上的控制線(xiàn)可能出現混亂，因為它們是相對板外的地而建立的。結果可能在某個(gè)位置發(fā)生ESD事件，并致使電路板上的某個(gè)輸入端看起來(lái)出現故障。

　　圖3：通過(guò)限壓器將大的浪涌電流注入到地將引起PCB地的反彈，并表現為連接電感的一個(gè)函數