中心論題：

• 研究電子元器件的拓撲變化
• 研究布線(xiàn)問(wèn)題

解決方案：

• 保護簡(jiǎn)單低速的單端輸入/輸出（I/O）線(xiàn)，開(kāi)發(fā)利用拓撲結構
• 減少抑制器軌道數量
• 信號回路規模最小化

迄今為止，此系列文章已經(jīng)報道了ESD破壞機理、沖擊源模型和防護裝置，主要集中討論了具有高速度和低閾值電壓的瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管。本篇是該主題的最后一部分，將重點(diǎn)關(guān)注應用方面，并針對一些案例，提供特殊應用電路保護方案。

實(shí)際上，所有ESD測試標準都涉及了沖擊源模型，例如人體、機器或充電器件。這些模型精確地解釋了測試源的導電特性。最新的測試標準如普遍應用的IEC-61000-4-2，詳述了沖擊波形，進(jìn)一步將測試源簡(jiǎn)化成測試源變量參數，為研究和評估各種高速瞬態(tài)緩解辦法提供了關(guān)鍵信息。

需要注意的是，除了需關(guān)注ESD保護，仍有大量瞬態(tài)電壓過(guò)載的非ESD源需要防護。因此，不但要明確產(chǎn)品將必須應對這些沖擊源，而且要確保ESD防護足以應對這些沖擊源。如果不能應對，則需要在能防護多種危險的單一裝置和多個(gè)防護裝置之間尋找折中辦法。

拓撲變化
各種電子元器件中，半導體對超負荷電壓最為敏感。因此通常情況下，集成電路（IC）引腳會(huì )連接到某種防護元件，該元件大多數情況都是制造商焊墊設計中的必要組成部分。焊墊指IC的金屬化，即后端處理裝置或者連接與焊接框架或類(lèi)似結構相連的電線(xiàn)，或者連接與電路板（PCB）或其他基座上的銅片直接相連的焊錫球。焊墊設計包括焊接區域和一個(gè)或多個(gè)保護裝置的金屬化外形，由焊墊用途決定焊墊的類(lèi)型和數目。

例如，與信號輸入相關(guān)的IC焊墊的特點(diǎn)是齊納二極管和結型鉗位二極管連接供電軌（圖1a），或者兩段式齊納鉗位二級管連接地面（圖1b）。多供電軌的IC需要使用軌道夾鉗阻止軌道在高速電流瞬變時(shí)擴散。
 

在任何情況下，IC供應商在產(chǎn)品里設計的保護裝置總是有限的。在設計良好、使用正常的情況下，它們作為次要的防護裝置效果十分顯著(zhù)；但是，當它們作為瞬態(tài)電壓事件的主要防護裝置時(shí)，由于離瞬態(tài)切入點(diǎn)距離遠、并且規模有限，它們的防護效果就十分不理想。尤其對于在使用時(shí)難以控制的便攜設備來(lái)說(shuō)，情況更是如此。

設計時(shí)，可以保護簡(jiǎn)單低速的單端輸入/輸出（I/O）線(xiàn)，開(kāi)發(fā)利用類(lèi)似于IC制造商使用的拓撲結構。實(shí)際上，如果選擇了更有效的抑制器，并且將其放置在離瞬態(tài)切入點(diǎn)盡可能近的位置，產(chǎn)品的瞬態(tài)承受能力將會(huì )大大地提高。如果輸入/輸出線(xiàn)需要低阻抗回路，可以簡(jiǎn)單地使單一的TVS二極管鄰近信號的外部連接器（圖2a）。這個(gè)處理方法會(huì )使外部和芯片上的二極管共享電流。
 

如果產(chǎn)品要在輸入/輸出線(xiàn)中承受某些額外阻抗（如在單端邏輯輸入時(shí)經(jīng)常出現的情況），可以通過(guò)在外部夾鉗和IC引腳之間增加一個(gè)電阻器，使外部和芯片上二極管之間的電流有助于外部防護（圖2b）。一些TVS二極管供應商在單一小型組件包里提供兩個(gè)結型二極管和一個(gè)TVS夾鉗，進(jìn)一步減少組件數目、降低裝配成本，避免互連偏離。這些組件包同樣適用于多軌道情況——單一的組件包為幾條普通供電軌提供保護（圖3）。
 

不同的輸入/輸出線(xiàn)（比如適用于USB2.0規格的），是這種組件包的眾多受益者之一。與通常情況下連接外部設備或系統的信令方法一樣，有效的USB 2.0端口保護設計應當包括一個(gè)共模扼流圈，以誘導的方式幫助過(guò)濾鄰近線(xiàn)路中的耦合瞬態(tài)，這種瞬態(tài)傾向于與一對平衡線(xiàn)中的兩條都連接。

USB 2.0端口的最大傳輸速率為480Mbps，要求保護裝置基本不發(fā)生并聯(lián)式的寄生電容效應。在這一點(diǎn)上USB 2.0與其它應用相同。TVS二極管供應商必須在峰值電流容量和寄生電容之間尋求元件分布的折中點(diǎn)。

斷開(kāi)狀態(tài)（圖5a）模型中的TVS二極管作為理想二極管有一個(gè)小的直流泄漏電流段和兩個(gè)交流電段——電容總合為：

 
，其中，C是純寄生電容、CT是TVS二極管的結點(diǎn)偏離、CP是元件偏離（圖5b）。當供應商在制造、元件設計和封裝能力上達到極限時(shí)，就會(huì )借助于復合設備，進(jìn)一步減少抑制器的純并聯(lián)寄生段。
 

例如，如果某元件僅需要單向運行，抑制器制造商可以通過(guò)一系列TVS二極管和結型二極管形成低電容抑制器（圖6a）。在斷開(kāi)狀態(tài)下，這種結構的純電容等于

 
，其中，CJ是結型二極管的斷開(kāi)狀態(tài)電容（圖6b）。如果發(fā)生瞬態(tài)時(shí)復合設備正在運行，結型二極管正向偏置。特定峰值電流的耗損比TVS二極管在雪崩模式下運行的耗損要少得多。結型二極管的結點(diǎn)區及其電容也更小。因此，結型二極管的電容可支配兩個(gè)二極管的寄生串聯(lián)，并且減少了復合設備的總體斷路電容。
 

鉗式結構（如圖3）的優(yōu)點(diǎn)之一是按正向傳導能力大小進(jìn)行排列的結型二極管是與輸入/輸出線(xiàn)相連，而更大電容的TVS二極管實(shí)際上是與供電線(xiàn)相連——在這種導電環(huán)境下，TVS的偏離電容是不起作用的。

對于需要雙向保護的應用，兩個(gè)TVS二極管可以串聯(lián)運轉——背靠背或者面對面，單獨運作或者與結型鉗位二極管共同運作。在所有串聯(lián)復合設備中，受保護節點(diǎn)的純電容負荷少于單一設備的純電容負荷。

類(lèi)似圖1b中的片上二段夾鉗結構也應用于外部夾鉗，在相同設備中同時(shí)實(shí)現瞬態(tài)超電壓防護和電磁干擾（EMI）過(guò)濾。這種布局是基本的π形網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)，TVS二極管的寄生電容有利于完成EMI過(guò)濾。電阻和感應網(wǎng)絡(luò )均可直接利用，滿(mǎn)足各種實(shí)體電路層對于信令的具體要求（圖7）。抑制器供應商通常按照通信標準在選擇器向導中對元件加以區分，確保適當的帶寬和某些特性阻抗的應用。
 

布線(xiàn)
在設計接地系統時(shí)會(huì )涉及到電路拓撲和布線(xiàn)。與所有出現多重返回電流的系統一樣，設計者希望阻止電流和返回路徑阻抗發(fā)生交互作用，以避免出現串音、干擾或其他方面的信號質(zhì)量下降。

在瞬態(tài)抑制電路中，多數供應商建議將TVS二極管及其關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現底板接地，或者在絕緣的閉路系統中實(shí)現電力接地。抑制器元件應安裝在盡可能接近切入點(diǎn)的地方，減少軌道數量，因為瞬態(tài)電流在并聯(lián)到地面前會(huì )流經(jīng)這些軌道。需使用短寬的走線(xiàn)使串聯(lián)互連阻抗最小化。同樣，如有可能，利用接地層，在離電源接入點(diǎn)盡可能近的中性點(diǎn)處把地面連接起來(lái)。

遵照高頻布線(xiàn)的總體設計方針，除將走線(xiàn)阻抗減至最小外，信號回路的規模也要最小化，以減少EMI輻射。如果設計中的信號線(xiàn)需要阻抗控制流，需注意走線(xiàn)上的懸掛式抑制器將導致本地阻抗的不連續性，繼而破壞信號的完整性。大多數抑制器制造商在提供用于阻抗控制的元件同時(shí)，也提供具體的布線(xiàn)指導。通過(guò)修改指定長(cháng)度的走線(xiàn)外形，抑制器帶來(lái)的并聯(lián)阻抗就能得到彌補。最后，至少有一個(gè)制造商可以提供具有內部信號接口的阻抗控制元件，使所有的彌補在元件內完成。