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通过发现ESD保护器件说明书中的“不可告人的秘

  通过发现ESD保护器件说明书中的“不可告人的秘密”,更快地构造可靠的电路保护设计

  如果没有足够的保护,电子元器件总是容易受到静电放电(ESD)或者其它过压事件的影响。很不幸的是,现如今这些电子元器件对高于3.3V直流电压的静电承受能力非常不均衡,从而导致了严重的静电放电脉冲损害。很多因素导致了电压额定范围的降低,包括现在最先进的集成电路生产尺寸的更小化。芯片上的ESD保护的水平也同样降低了。然而,最重要的因素也许是诸如超级本、平板电脑、智能手机、MP3播放器、数码相机等此类移动设备的广泛普及。其移动本质是指在不受控制以及潜在的充满静电的环境下仅用板上电路保护其免受意外的冲击,它们便可以“不停地”使用。要确保这些设备的寿命,需要对印刷电路板上(PCB)相应的静电放电保护器件进行认真的定位与选择。

  的主要目的是在过压事件或电压瞬变期间提供最低钳位电阻并联接地路径。合理的印刷电路板布局/走线是有效使用ESD保护器件的关键。如果未采用合理的布局设计,即便是最理想的保护方案也毫无用武之地。在新的电路设计人员中,最常见的位置错误类型可能就是将ESD保护器件放置于总线或被保护的数据线上的板上“任何合适的地方”,而不是花费一些时间重新进行电路板的设计使器件恰好放置于能经受静电放电或者瞬间电压过冲情况的位置。所选择的器件应尽可能地靠近接头(连接器)或者被保护的按钮/开关处,这将确保ESD瞬变电压一旦进入到电路,就能够被钳制。同时,如果可行的话,器件的安装也应尽量地靠近数据/信号线,以避免短线痕迹。这样也可以消除引起电路损坏的电压尖峰的引线电感过冲的可能性。不管怎样,很明显的一点是选择正确的器件与进行最优设计是同等重要的。

  尽管来自于不同生产商的一些同类的ESD保护器件的技术参数看似是提供了相同的性能,但是认为他们会提供同等水平的保护是不可信的。在决定器件是否适合特定的ESD保护应用之前,需要再多花费一些时间全面地检查一下所有的技术参数,包括所有相关的脚注。这不仅包括电参数列表,也包括概括器件性能的绘图。例如,在一些供应商提供的数据表中,描绘显示ESD波形的器件的“钳位电压”的绘图通常不会提供电路或硬件设计者所关心的信息。

  在某些情形中,指定使用ESD脉冲电平的这些器件的钳位电压远远低于8kV (如2kV、4kV或6kV)的工业标准。尽管产生的波形图或钳位电压可能会让读者对此器件产生良好的印象,但是对脚注的进一步阅读会反映出在使用电子产品时,绘图与消费者实际生活的应用是不相关的。

  这是对那些太过完美的说明书的警告。检查不相关的脉冲波形的说明书,如人体模式(HBM)标准下规定的脉冲波形,这一标准最初是静电放电敏感性分类(军用规格)中方法3015.8,MIL-STD-883的一部分。这项标准仅仅与诸如位于装配线上的集成电路的ESD接地/手环等的生产环境相关。但是,在测试期间,很少有供应商细心地选择使用这种人体模式脉冲,因为只有很少的能量从测试中的保护器件中通过,这也使所产生的钳位电压参数看起来更佳。

  相关的脉冲波形以及将日常的ESD保护设计成一款电子产品所需的标准源于国际电工委员会的IEC61000-4-2标准。这种标准是系统级的测试,在终端用户环境中,对向电子器件放电的带电人员重复进行测试。这种系统级测试的目的在于保证正常运行下的成品的寿命。人们普遍认为产品用户不会采取任何降低ESD压力的预防措施。

  当对声称按照IEC61000-4-2波形进行测试的器件的钳位电压进行评估时,我们需要意识到欠严谨的供应商可能会提供显示低钳位电压的绘图,但是不会对获得绘图的被测器件和示波器之间所使用的外部衰减器的技术指标行标注。如果没有衰减器的信息,那么就没有办法精确地对与波形图相关的数字进行解释。去查找一下诸如“使用10x的衰减器”此类的注释,这样你就会了解到在绘图中应该乘以哪些数字,从而评估器件对ESD脉冲的真正反映。

  注意信息与绘图以及电气特性之间的不同点。一般情况下,绘图中都会有一些不相符的地方。图1就是供应商的“过冲与钳位图”的一个例子,这张图展示了用1/30毫微秒波形对25kV 的ESD脉冲进行测试的结果。波形与国际电工委员会或人体模式标准下的任何标准的ESD脉冲都没有直接的联系。它可以在使用时接近任何一个标准,但是读者需要知道究竟是哪一个,因为两者的能量是非常不同的。

  30纳秒点(下降时间的50%点)也是非常典型的。它典型地阐述了雷电脉冲的特性,因此,所使用的试验脉冲可能并没有和标准国际电工委员会脉冲相同的能量,在一对一的基础上也是不能直接比较的。同时,图1 绘图中展示的过冲几乎是不可能实现的,因为1毫微秒的上升时间中它并没有反映电感的效果,它至少会产生30~40V的尖峰电压。而这也远远高于绘图中显示的10V。结果人们往往相信为了捕捉电波会使用相对较慢的示波器或者相信产生的数据可能进行了一些“后置处理”。除了波形的问题之外,还需要特别注意此结果与电气特性并不相符。器件的最小击穿电压列为6V,那么假设器件开启到了那个水平。在检查绘图时,我们看到在25 kV的冲击后,它会上升到10V,等同于穿过ESD保护或者为国际电工技术委员会标准的93.75A。因此为了达到10V的钳位电压,整个击穿过程需要增加4V电压,动态电阻必须为0.042Ω。此数值不仅是不现实的,也会否定电器规格表中按照钳位电压计算的动态电阻的结果(在这种情况下,可能更接近2Ω)。总而言之,很明显这里遗漏了一些东西,所以我们需要在检查数据表的时候要更加的注意。

  让我们在展示特征形式的图2中对更典型的钳位ESD波形和误导性的过冲和钳位电压进行比较。

  图2不仅对典型的波形进行了描述,而且对印刷电路板上寄生电感引起的钳位波形进行测量时看到的最初的峰值电压进行了描述。因此,按照绘图判断性能并不是决定保护器件性能的最佳方法。

  具有悟性的设计师总是使用动态电阻的参数对ESD器件进行比较,因为这种方法消除了所有的次要影响,并且展示了器件在过压过程(即静电放电)中是如何利用钳位电压保护集成电路的。力特提供的动态电阻在数据表中一直是一个单独的项目(图3),但是在当前水平下很容易就能使用钳位电压对其进行计算。

  关于钳位电压需要注意的一点就是一些供应商把它列入了说明书,但是却只测试了二极管矩阵中的中心TVS(稳压二极管),对正向二级管和稳压二极管的结合并没有进行测试,这也就是我们从连接到地的被保护的输入/输出中所看到的现象(见图4)。貌似我们最好不考虑正向二极管的作用,但是这样就掩盖了它在电路中的实际性能。

  相比较而言,力特一直都运用已知的可复验的波形对钳位电压进行测试与说明,例如来自于给出的输入/输出到地面的8/20s脉冲 (或者在一些情况下,输入/输出到输入/输出),这样,所有的电路参量都包含在展示设计人员期望的器件本身的实际钳位性能中。

  ESD保护器件的电容可以用不同的方法进行测量,通常情况下,仅仅依靠阅读数据表对不同的器件进行比较是很困难的。一些供应商通过使用电源引脚或者输入/输出中的直流偏压对器件的电容进行测试,从而展示更低的电容值。如果使用大数据的直流偏压,那么这就是一种误导,因为所使用的偏压越大,电容特性越低。有时候,用于测量电容的直流偏压可以高于系统或者应用程序中使用的偏压。若想对考虑中的器件的电容有更多的了解,注意标注有在0V进行的测量的电容规格,因为这是最糟糕的电容水平,在大多数情况下,当添加直流偏压时,数值只会变得更低。

  另一个需要注意的数据表的“诡计”就是指定电容为唯一的正向二级管,目的是为了让这一部分看起来更加美观。在电源线间,电路其实有两个转向二极管 (见图4),因此正如数据表所示,数据线要克服双倍的电容。在很多诸如USB或HDMI的高速应用程序中,这可能会出现信号完整性问题或者彻底的系统性故障。

  为了帮助设计人员挑选合适的应用器件,力特在每个数据表中都应用了三种方法对电容进行了测试和说明。此电容一直都是在0V偏压、直流偏压(通常为2.5 或5V)下进行测量的,在绘图中直流偏压的范围从0V 到器件的VRWM或者关断电压。