通過發(fā)現(xiàn)ESD保護器件說明書中的“不可告人的秘密”，更快地構(gòu)造可靠的電路保護設(shè)計

　　如果沒有足夠的保護，電子元器件總是容易受到靜電放電(ESD)或者其它過壓事件的影響。很不幸的是，現(xiàn)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(dǎo)致了嚴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(shù)碼相機等此類移動設(shè)備的廣泛普及。其移動本質(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，需要對印刷電路板上(PCB)相應(yīng)的靜電放電保護器件進行認真的定位與選擇。

　　ESD保護器件的主要目的是在過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保護器件的關(guān)鍵。如果未采用合理的布局設(shè)計，即便是最理想的保護方案也毫無用武之地。在新的電路設(shè)計人員中，最常見的位置錯誤類型可能就是將ESD保護器件放置于總線或被保護的數(shù)據(jù)線上的板上“任何合適的地方”，而不是花費一些時間重新進行電路板的設(shè)計使器件恰好放置于能經(jīng)受靜電放電或者瞬間電壓過沖情況的位置。所選擇的器件應(yīng)盡可能地靠近接頭(連接器)或者被保護的按鈕/開關(guān)處，這將確保ESD瞬變電壓一旦進入到電路，就能夠被鉗制。同時，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沖的可能性。不管怎樣，很明顯的一點是選擇正確的器件與進行最優(yōu)設(shè)計是同等重要的。

　　盡管來自于不同生產(chǎn)商的一些同類的ESD保護器件的技術(shù)參數(shù)看似是提供了相同的性能，但是認為他們會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(yīng)用之前，需要再多花費一些時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”的繪圖通常不會提供電路或硬件設(shè)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讓讀者對此器件產(chǎn)生良好的印象，但是對腳注的進一步閱讀會反映出在使用電子產(chǎn)品時，繪圖與消費者實際生活的應(yīng)用是不相關(guān)的。

　　這是對那些太過完美的說明書的警告。檢查不相關(guān)的脈沖波形的說明書，如人體模式(HBM)標準下規(guī)定的脈沖波形，這一標準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。這項標準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，在測試期間，很少有供應(yīng)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，這也使所產(chǎn)生的鉗位電壓參數(shù)看起來更佳。

　　相關(guān)的脈沖波形以及將日常的ESD保護設(shè)計成一款電子產(chǎn)品所需的標準源于國際電工委員會的IEC61000-4-2標準。這種標準是系統(tǒng)級的測試，在終端用戶環(huán)境中，對向電子器件放電的帶電人員重復(fù)進行測試。這種系統(tǒng)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)品用戶不會采取任何降低ESD壓力的預(yù)防措施。

　　當(dāng)對聲稱按照IEC61000-4-2波形進行測試的器件的鉗位電壓進行評估時，我們需要意識到欠嚴謹?shù)墓?yīng)商可能會提供顯示低鉗位電壓的繪圖，但是不會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。如果沒有衰減器的信息，那么就沒有辦法精確地對與波形圖相關(guān)的數(shù)字進行解釋。去查找一下諸如“使用10x的衰減器”此類的注釋，這樣你就會了解到在繪圖中應(yīng)該乘以哪些數(shù)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。一般情況下，繪圖中都會有一些不相符的地方。圖1就是供應(yīng)商的“過沖與鉗位圖”的一個例子，這張圖展示了用1/30毫微秒波形對25kV 的ESD脈沖進行測試的結(jié)果。波形與國際電工委員會或人體模式標準下的任何標準的ESD脈沖都沒有直接的聯(lián)系。它可以在使用時接近任何一個標準，但是讀者需要知道究竟是哪一個，因為兩者的能量是非常不同的。

　　30納秒點(下降時間的50%點)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有和標準國際電工委員會脈沖相同的能量，在一對一的基礎(chǔ)上也是不能直接比較的。同時，圖1 繪圖中展示的過沖幾乎是不可能實現(xiàn)的，因為1毫微秒的上升時間中它并沒有反映電感的效果，它至少會產(chǎn)生30~40V的尖峰電壓。而這也遠遠高于繪圖中顯示的10V。結(jié)果人們往往相信為了捕捉電波會使用相對較慢的示波器或者相信產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可能進行了一些“后置處理”。除了波形的問題之外，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)器件開啟到了那個水平。在檢查繪圖時，我們看到在25 kV的沖擊后，它會上升到10V，等同于穿過ESD保護或者為國際電工技術(shù)委員會標準的93.75A。因此為了達到10V的鉗位電壓，整個擊穿過程需要增加4V電壓，動態(tài)電阻必須為0.042?。此數(shù)值不僅是不現(xiàn)實的，也會否定電器規(guī)格表中按照鉗位電壓計算的動態(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(dǎo)性的過沖和鉗位電壓進行比較。

　　圖2不僅對典型的波形進行了描述，而且對印刷電路板上寄生電感引起的鉗位波形進行測量時看到的最初的峰值電壓進行了描述。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(shè)計師總是使用動態(tài)電阻的參數(shù)對ESD器件進行比較，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壓過程(即靜電放電)中是如何利用鉗位電壓保護集成電路的。力特提供的動態(tài)電阻在數(shù)據(jù)表中一直是一個單獨的項目(圖3)，但是在當(dāng)前水平下很容易就能使用鉗位電壓對其進行計算。

　　關(guān)于鉗位電壓需要注意的一點就是一些供應(yīng)商把它列入了說明書，但是卻只測試了二極管矩陣中的中心TVS(穩(wěn)壓二極管)，對正向二級管和穩(wěn)壓二極管的結(jié)合并沒有進行測試，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(xiàn)象(見圖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際性能。

　　相比較而言，力特一直都運用已知的可復(fù)驗的波形對鉗位電壓進行測試與說明，例如來自于給出的輸入/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)計人員期望的器件本身的實際鉗位性能中。

　　ESD保護器件的電容可以用不同的方法進行測量，通常情況下，僅僅依靠閱讀數(shù)據(jù)表對不同的器件進行比較是很困難的。一些供應(yīng)商通過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行測試，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)，因為所使用的偏壓越大，電容特性越低。有時候，用于測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。若想對考慮中的器件的電容有更多的了解，注意標注有在0V進行的測量的電容規(guī)格，因為這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，數(shù)值只會變得更低。

　　另一個需要注意的數(shù)據(jù)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更加美觀。在電源線間，電路其實有兩個轉(zhuǎn)向二極管 (見圖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，這可能會出現(xiàn)信號完整性問題或者徹底的系統(tǒng)性故障。

　　為了幫助設(shè)計人員挑選合適的應(yīng)用器件，力特在每個數(shù)據(jù)表中都應(yīng)用了三種方法對電容進行了測試和說明。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。