堡垒的作用 - 电路设计中如何防止静电放电?

　　堡垒的作用

　　利用板级ESD，你可以尝试建立一个堡垒，并在“护城河”上建立多个受控的接入点。连接到“城墙”之外的部分可以被广义地分成几个类别：协议受控的数据、低带宽检测和控制线以及高速接口。前两个比较容易处理，第三个具有一定程度的挑战性。让这三部分免遭ESD破坏有几种不同的方法。

　　不管最终产品是什么样，某种形式的保护性外壳将成为设备的一部分。隔离外壳内的电路是需要仔细考虑的第一道防线。在理想情况下，连接电路板地的金属外壳通常能起使用，但现代产品经常采用非导电性的塑料或其它现代材料。

　　电路设计人员通常没法控制建造城墙的材料，但对保护堡垒负有不可推卸的责任。在设计外壳时需要注意，到达机箱外部任何部分的ESD都会有无数路径进入内部电路。

　　建立一个PCB能够自我防止ESD冲击的堡垒可以从低阻抗的接地方法开始。建立一个地基和正常的电源完整性可以让印刷电路板（PCB）保持整个板上的信号完整性，即使是受到巨大的地浪涌电流冲击的时候。

　　作为一个设计工程师，你会要求每个人系好他们的安全带，这样可以对付少量的气流。飞机可能快速地上下摆动，但如果每个人都系好了安全带，那么所有人都会固定在原位，飞机也会继续飞行。在这之后，你需要保护外部连接，并限制ESD事件效应。

　　保护电路应该位于电路板入口位置，而不是入口点的下游。需要处理的可能是电弧问题引起的数千伏电位，或者最好在电路板边缘位置处理的数安培的浪涌电流。

　　TVS限压器

　　瞬态电压抑制（TVS）限制二极管可以用作限压器。它们分为普通电压、逻辑电平和电源电压。常见的电压种类有：12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V和1.2V。

　　这个数字应该看起来比较熟悉，因为这些器件是专门针对与许多CMOS器件有关的需求设计的。一种规格不可能满足所有需求，它们应该是适合要保护器件的正确电压。

　　现代CMOS工艺显著降低了电源电压，以保护没有很多设计余量且电压范围有限的晶体管，这点值得我们尊敬。这些器件一般使用代工工艺制造，这种代工工艺可以用小型封装提供具有低阻抗特性的大电流器件。

　　在输入线上放置TVS限压器可以保护输入端免遭ESD的破坏性损害（图4）。但这种限压器无法处理在主机处理时发生的信号混乱现象，也无法处理由于巨大的地电流浪涌而发生的逆转效应。

　　

　　

　　图4：简单的限压电压可以提供过压保护，但可能导致浪涌电流问题。浪涌电流应该被限制，而信号应该保持相对局部地的稳定性

　　如前所述，HBM和MM之间的性能区别是非常大的。在许多情况下，在TVS器件之前增加一些串联电阻有助于限制电流浪涌，并减少地线反弹。与HBM一样，最终结果是减少系统应力。

　　通常带宽限制本身不会解决ESD问题。低通滤波器对小型ESD的衰减也要求60dB至150dB才能消除瞬态电压，这对简单的无源滤波器来说是很难做到的。TVS限压器可以将信号下拉到电源轨之间。

　　然后一阶RC电路可以用来保持信号的完整性（图4）。电容也可以稳定相对于局部地的输入电压。这种方法可以很好地保护数量很多的低带宽输入，包括“设置并忘记的”控制线、传感器输入和类似对象。

　　虽然我们讨论的大部分内容是保护PCB的输入端口，但输出端口保护也是类似的。TVS限压器和附加电阻在这里也很合适。限制电压有助于防止半导体损坏，并保护具有电压限制的其它部件。

　　串联电阻也有助于地的稳定。此外，让ESD浪涌电流远离数字芯片的I/O单元可以防止芯片内部出现地线反弹，从而允许处理器在外部限压器吸收浪涌电流冲击时保持正常工作。

　　芯片内部的ESD

　　基于多种原因，IC内部的ESD保护功能有些折衷。硅片和金属都针对IC的核心功能作了优化，不适合用于大电流工作。专门的TVS器件使用针对大电流电路优化过的硅片，具有比普通CMOS中的PN结更高的性能。

　　另外，具有大电流ESD保护功能的I/O单元会占用相当大的空间，从而推升IC成本。而且IC上的高频引脚通常没办法附加大尺寸的ESD保护电路，因为它会产生容性负载。

　　作为一般经验，芯片内部的ESD保护程度只是足以完成IC生产并焊接到PCB上，但缺少应用环境通常需要的鲁棒性保护性能。如果连接需要离开PCB，通常需要利用外部装置进行进一步的保护。

　　数据通信端口

　　正确设计的通信端口会使用鲁棒性的协议，协议中包含了通用使用循环冗余检查（CRC）编码来测试数据的完整性。以太网、USB和CAN总线都开发了CRC编码并随数据一起传送。设计正确的接收器将检查CRC编码是否匹配所发送的数据。如果不匹配，表示要么数据要么CRC编码发生了错误，将发出重新发送数据的请求。

　　由于ESD事件持续时间不到100ns，因此CRC检查、验证和重新发送过程通常以不可见的方式处理ESD。最终用户一般从未意识到损坏的信息得到了纠正。其它一些协议的结构中没有保护措施。

　　I2C、串行外设接口（SPI）和系统管理总线（SMBus）通信设计在PCB上工作，无法验证和纠正数据。如果有些数据要离开电路板，确保你有方法验证数据的有效性。

　　大多数现代通信路径采用差分方式，即使用某种形式的低压差分信号（LVDS）。每个LVDS连接需要像所有其它信号一样受到TVS保护。磁场隔离（以太网常用）和共模扼流圈有助于解决由于ESD事件中的地线反弹产生的共模变化问题。在输入信号与PCB不共享同一个地时，应该采取光学隔离或磁场隔离措施。

　　要求完善的数据完整性但不包含误码检查的高速数据流在防止ESD冲击方面难度特别大。理解器件如何提供高于1GB/s的串行数据速率和完整的通信协议保护可以避免这个问题。

　　模拟信号与数字智能

　　离开或进入电路板的任何模拟信号都需要基本的TVS保护。需要考虑连接通道的带宽以判断下一步应采取其它什么措施。大多数模拟控制信号、运动控制系统、音频和指示灯不需要更多的措施，因为所用器件的响应时间较长。射频前端是通信通道的物理层，由作为协议一部分的检错机制提供自我纠正。

　　硬件只能提供这么多保护。如果系统中心的某个处理器需要完成监听和控制，那么还需要一些选项。这里介绍的技术能使你的处理器不再丢失，或需要经过复位周期。在这个主机控制下到底发生了什么则是需要考虑的另外一回事。

　　一般来说，你需要在处理器代码中编入一些智能，以便它能识别错误的信息并进行正确的处理。通过时分轮询端口可以方便地解决慢速检测和控制线问题。由于ESD事件非常短暂，如果对几个毫秒内的多个样本来说端口上的数据保持稳定，那么系统就不存在ESD这种灾难性事件。

　　此外，作为再现过程的一部分，输出可以被刷新。如果处理器是存储器单元这一步是不需要的，但如果数据是通过远程锁定的，那就需要用刷新例程来管理破坏事件。