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靜電放電EMC問題的解決辦法!

日期:2024-05-31 23:50
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摘要:微電子電路面臨的風險比以往任何時候都大,罪魁禍首是靜電放電(ESD)。靜電放電是隱秘的殺手,特別容易攻擊敏感的IC。單次靜電放電事件就可以將PCB摧毀??轨o電放電設計只要錯失一步就可能意味著延誤上市時間、影響開發進度,以及激怒客戶。在某些高壓力情況下,甚至意味著你的飯碗不保。 在尺寸不斷縮小的微電子時代,如果ESD瞬變未加抑制地在PCB走線上出現之前你不去主動地阻止它們,那么ESD事件很可能毀了你的產品。 在寫這篇文章時,我剛好想起幾個月前發生的一件相當有趣的事。一位快要發瘋了的客戶聯系我們尋求緊急幫助,希望能夠保護...
微電子電路面臨的風險比以往任何時候都大,罪魁禍首是靜電放電(ESD)。靜電放電是隱秘的殺手,特別容易攻擊敏感的IC。單次靜電放電事件就可以將PCB摧毀??轨o電放電設計只要錯失一步就可能意味著延誤上市時間、影響開發進度,以及激怒客戶。在某些高壓力情況下,甚至意味著你的飯碗不保。
 
在尺寸不斷縮小的微電子時代,如果ESD瞬變未加抑制地在PCB走線上出現之前你不去主動地阻止它們,那么ESD事件很可能毀了你的產品。
 
在寫這篇文章時,我剛好想起幾個月前發生的一件相當有趣的事。一位快要發瘋了的客戶聯系我們尋求緊急幫助,希望能夠保護他的系統免遭“憤怒的”ESD瞬變傷害。這個可憐的家伙遭受了一系列抗ESD故障的打擊,并使得他的產品規劃全泡了湯。他肯定錯漏了一些步驟。
 
首先,他沒有在任何I/O接口處實現保護鉗位電路,也沒有為TVS鉗位器件放置PCB焊盤作為他需要保護的“**閥”措施。使挑戰更加復雜的是,這種特殊產品上的I/O端口被連接到了一些高速和非常敏感的通信IC。并沒有發生多少ESD就使得這些電路板發生了通信故障。圖1顯示了在數據線上使用鉗位二極管的例子。
 

圖1:TVS二極管可以在數據線上提供ESD保護。這個例子展示了帶ESD保護功能的USB 2.0數據線。
 
當**塊板沒有通過ESD一致性測試時,還會推出版本1和版本2。這次不再是“瞎猜了”??蛻麸@然找到了一個ESD額定電壓為±15kV的瞬態電壓抑制(TVS)鉗位管。他在電路板的一些I/O端口上布放了一些TVS,然后相當高興地認為這個器件可以保證他的系統可以抗±15kV的ESD沖擊。雖然這步走的方向是正確的,但他仍然從根本上誤解了ESD威脅。**版電路仍然沒有通過±15kV電壓的測試,雖然這時他發現用TVS帶來了一定程度的改進。圖2展示了TVS二極管如何“鉗位”來自ESD脈沖的電壓。
 

圖2:鉗位二極管可以減小來自ESL脈沖的電壓,因而能有效防止你的電路受到損壞。Transient Environment: 瞬態環境Transient voltage: 瞬態電壓Transient current: 瞬態電流Clamped voltage: 鉗位電壓TVS Diode: TVS二極管Data Line Transceiver IC: 數據線收發器IC
 
由于遭受了兩次電擊,這位工程師帶著驚恐的心情求助于我們。隨著我們對問題的深入分析,我真切感受到這位工程師的焦慮和恐懼。事實上,我有深切的感受,在這位工程師的PCB走線上亂串的ESD瞬態信號不僅會危害到電路板上的通信器件,而且毫不夸張地說可能威脅到他的工作。他早就需要一個解決方案了。由于時間不等人,而且這個已經推遲的設計另一端還有一位就要失去耐心的客戶,我們接管了這個問題。他把電路板送到了我們的Semtech實驗室,明確希望我們保護這個產品免受ESD的傷害,繼而也保護他的信譽和工作。
 
然而,我們首先需要澄清的誤解是,TVS鉗位器件數據手冊上的±15kV額定值與他在PCB上想要達到的系統級保護閾值基本上沒有關系。那個額定值涉及的是TVS器件本身的故障閾值,但并不等同于系統要保證的抗干擾度。正如事實擺明的那樣,他的系統電路太敏感了,在滿足針對TVS器件的電容約束和尺寸要求條件下,很難達到±15kV的系統級抗干擾性能。
 
此外我要解釋的是,并不是所有TVS器件生來都是一樣的。不同制造商生產的兩種TVS鉗位器件的鉗位性能可能有很大的差別。如果產品開發周期非常吃緊的話,選擇便宜、山寨的TVS器件不是一個好的策略。因此,我們用一些更新的高性能低側鉗位器件對他的電路板進行了改造——這些器件可以抑制很高的峰值電流。這樣,這塊電路板的抗干擾性能有了顯著的改進,如下圖所示。
 

圖3:增加瞬態電壓抑制可以顯著降低鉗位電壓,保護敏感的IC。Voltage: 電壓
 
TVS Clamping Response ( 8kV Contact Discharge): TVS鉗位響應( 8kV接觸放電)8kV Contact voltage waveform: 8kV接觸電壓波形No external TVS protection implemented: 沒有使用外部TVS保護Clamped ESD voltage( 8kV contact) with Semtech RClamp0531TQ TVS: 使用Semtech RClamp0531TQ TVS的鉗位ESD電壓( 8kV接觸電壓)Time: 時間
 
他的系統現在可以輕松通過±8kV測試了(大多數情況下±8kV足夠了)。電路板仍然沒能通過±15kV接觸放電測試(擴展目標),但比以前的結果要好多了。在此基礎上,為了進一步提高系統的健壯性,我們在線路上增加了一個小的串聯電阻,它足以壓制殘余的瞬態電流,但還不足以影響信號性能。
 
雖然增加電阻并不是*理想的方案,但它確實提高了抗ESD性能,在這樣一個設計后期階段,它提供了實現起來相對容易的修復手段。*終結果表明一切安好:穩健的產品,愉悅的*終用戶,高興的老板,以及更加深入理解ESD保護知識的工程師。正如他們說的那樣,“增加電阻起到了四兩撥千斤的效果?!蔽也孪朐谒南乱粋€設計中,我們的朋友會更加主動地去避免*后時刻才會發現的任何ESD失誤。

粵公網安備 44190002002243號

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