ESD电路保护设计中的若干关键问题.doc

电路保护设计中的若干关键问题兼顾抑制器件的电容和布局因素的超高速数据传输线路保护电路设计师在设计实用而可靠的产品过程中面临着许多静电放电问题不仅如此电子产品市场向更高数据吞吐量和信号速度发展的趋势更使这本已复杂的问题雪上加霜保护基本上分为两类即在制造过程中的保护以及在现实环境中的保护除了保护数据传输线路之外抑制器件必须保持其信号的完整性把抑制器设置得距其保护的线路过远有可能降低其有效性电路板迹线电感会在芯片上引起额外的电压即过冲为避免发生这一现象应尽量把抑制器安放得靠近受保护线路底线是解决方案的选择不再像选择一个额定参数与电路工作电压相符的抑制器那么简单目前一种比较有效的解决方案是把电路板的布局以及抑制器件的非抑制电特性考虑在内在深入研究保护的详细内容之前回顾一下它的基本知识将有所帮助在制造过程中的保护每当两种不同的材料相互接触后分开时就会产生这种所谓的摩擦生电效应电荷随后转移至电位较低的物体这一现象被称为静电放电摆在设计质量和可靠性组织面前的课题是如何应对其电子产品上的静电转移效应如果脉冲进入到电子装置的内部则会对内部电路造成实际损坏据协会估计由用户活动所产生的导致的产品受损平均占到不管产品损耗发生在用户端还是在制造过程中都会招致产品可靠性的下降并减少公司的利润为了对降低由导致的损耗提供帮助芯片制造商可以在其集成电路模片中采用结构这将使得它们性能更加稳定并有助于提高芯片生产和电路板制造过程的成品率在现实环境中的保护当把电子产品从制造环境中挪到实际日常应用中将产生很大问题由最终用户生成并引入电子装置的比在受控制造环境中发现的要严重得多这就意味着一个能在制造过程中实现高成品率的设计有可能在现场使用时产生较大的损耗因此人们对的关注焦点已经从芯片强化向系统强化转变抑制或即使经受住了制造过程的考验也不能保证就能通过用户实际使用的检验目前设计师有无数现成的保护方案可以选择包括隔离电路滤波电路和抑制元件如多层可变电阻硅二极管和新推出的聚合物抑制器虽然这些方法均能增强电子装置的抗性能但在选择过程中还需考虑一些固有特性显而易见的特性包括外形尺寸引出脚配置焊点布局和漏电流但是随着人们对于电路提供更高的信息吞吐量的要求日益迫切另一个特性变得非常重要这就是电容电容和信号完整性不管是过去还是现在抑制器的固有封装电容都可被设计师所利用在信号频率与任何的干扰频率像噪声和瞬变之间具有高隔离度的场合电容还能够起到滤波的作用本质上起着类似低通滤波器作用的抑制器为瞬变抑制提供箝位功能并可对耦合到受保护数据传输线路中的干扰高频信号进行滤波例如蜂窝电话的耳机终端工作于较低的频率音频范围而和蜂窝电话的工作频率则高得多至这里从用户角度来看大电容多层可变电阻和二极管是实施保护的理想选择它们所具有的一个额外优点是能够对耳机线输出的蜂窝电话辐射信号进行滤波然而这一优点在信号速度提高时却会成为一个缺点人们对于高信息吞吐量视频音频数据的需求对数据传输速率的提高起到了推动作用这些高速数据传输线路的实例包括吉位以太网和协议所有这些协议的数据传输率均超过了不过所有这些有助于消除干扰噪声的高传输速度和电容同时又会滤除数据信号本身导致有可能使系统无法运行的失真数据波形失真表现为由较慢的上升和下降时间所致的高态低态瞬变的前沿和后沿被修圆上升和下降时间较慢会给系统带来一些问题其中最重要的是时序问题电路在特定的时间需要稳定的高态和低态随着各状态之间过渡时间的增加电路有可能检测到不完整的过渡期从而将数据误差引入系统只要控制电路的信息与预定的协议相符电路就会按照原先的设计正常工作当信号元件性能下降时电路识别预定信息的能力也随之下降从电路保护的角度来看其目的是为电路提供保护并保持数据的完整性而不是干扰电路的正常工作为了调查封装电容对数据完整性的影响我们收集了两种数据频率上的测试结果这里关键因素并不是所采用的具体技术而是电容值测试所采用的产品是的抑制器的陶瓷电容器的陶瓷电容器的多层可变电阻器当波形的上升时间较快时则其保持电平的时间要长得多在此数据传输率条件下或更小的电容值将使得数据通过时的失真最小由图可以清楚地看到采用电容值时数据脉冲的前沿和后沿是如何被修圆的这里用的数据波形对相同的器件进行测试两种信号的上升时间是相同的但信号具有短得多的电平保持时间在这种场合电容造成了相当大的失真以致于波形甚至无法达到信号工作电压实质上数据均不是通过信号线传送的即便是在这种场合电容造成了相当大的失真以致于波形甚至无法达到信号工作电压实质上数据均不是通过信号线传送的即便是的电容值也足以引起巨大的波形失真它减少了电平保持时间并使前沿和后沿沿的形状大为改变采用电容值时的边缘失真较小而采用电容值时数据波形通过时没有失真附表列出了波形位速率为对应每种电容值的上升时间该数据揭示了在进行超高速系统的数据传输线路保护时抑制器的电容特性的重要性尽管现有的各种抑制器均能够提供有效的保护功能但不能以牺牲系统的信号完整性为代价因此在把抑制器引入电路设计之前必须对其电容有所考虑具有极低电容值的抑制元件如器件能够在提供保护功能的同时保持高速数据信号的数据完整性安装方面的考虑当选择了一个抑制和电特性漏电流电容与电路参数相吻合的抑制器之后还需要作出另一项选择抑制器应安装在电路板的什么位置上才能优化电路的保护优化保护指的是使受保护芯片上的瞬变尽可能少高速信号和瞬变如带来了另一个寄生特性电感尤其值得关注的是用来实现连接器芯片及其他任何配套元件之间互连的电路板上迹线的寄生电感与电容效应相似由电路板迹线所产生的电感将不会影响低频信号但是在高速条件下这种电感将产生有可能影响信号完整性的阻抗分量回忆一下感抗的计算公式该式也可写成当高频信号如通过时少量的迹线电感可能转换成巨大的阻抗设计师可通过在抑制器和受保护芯片之间设置尽可能大的距离的方法来利用上述特性给出了下列电感值连接器与抑制器之间的电感抑制器与芯片引脚之间的电感线与抑制器之间的电感短截线迹实质上将消耗掉抑制器箝位动作之后剩余的脉冲的能量脉冲的电压和电流衰减发生于能量在电路板迹线周围的磁场中存储和消耗的过程中请注意电路板迹线的长度与最终到达芯片引脚的脉冲能量呈反比关系随着迹线长度的增加脉冲的强度由芯片承受下降脉冲强度的下降将转化成芯片承受应力的减弱曲线示出了在一块测试电路板上的两个位置上测得的电压与时间之间的数值关系它们帮助我们了解了抑制器件的安放位置所产生的影响本例中抑制器安装在连接器处即瞬变的入口点蓝色波形示出了位于抑制器处的线上的测量电压抑制器对具有约的测量峰值电压和左右的箝位即保持电压的传输线脉冲发生器的脉冲作出响应将此与显示脉冲实际上到达的绿色波形进行对比在这种场合一个英寸长的迹线把抑制器与用输入衰减器连接起来请注意测得的峰值电压已被降至且箝位电压约为这意味着什么呢对电路设计师而言这提供了一种用于最大限度地减少和的输入端所承受的的策略增加抑制器与芯片之间的迹线长度能够显著地减弱所承受的应力这意味着使迹线变长将增加的电感值坦白地说应把抑制器直接放置在连接器的后面它应该是第一个遭遇瞬变的板级元件然后在实际可行的情况下任何需要保护的芯片均应尽可能地远离抑制器采取这一方法将极大地减轻集成电路所承受的应力下面罗列的是抑制器安装位置的相对优先级按从高到低的顺序排列如下设置于作为系统屏蔽机壳中的入口的连接器的内部安放于电路板迹线与连接器插脚相互作用的位置放置于电路板上紧挨在连接器后面的位置位于可以高效耦合至线路的性能稳定且未受保护的传输线路设置于数据传输线路上的一个串联阻性元件之前位于数据传输线路上的一个扇出点之前靠近和或另一个需要考虑的布局问题是从电路板迹线至抑制器的距离目标是将该距离降至最小与此迹线相关联的电感以及任何的封装寄生电感都将在保护电路中加入阻抗实质上随着与传输线路之间距离的增加抑制器变得越发与受其保护的信号线隔离开来请记住芯片将要承受抑制器两端的电压和迹线阻抗两端的电压理想的焊点位置在数据传输线路的顶部如果做不到这一点则应最大限度地减少它们之间的距离最后机壳框架的地应是基准而不是信号数字地目的是把从信号环境中转移出去使保护器件以机壳的地为基准则可免受那些不希望的噪声效应如接地反跳的影响目标是尽量保持干净的信号数据环境