中心論題：
- 研究電子元器件的拓?fù)渥兓?/strong>
- 研究布線問(wèn)題
解決方案：
- 保護(hù)簡(jiǎn)單低速的單端輸入/輸出（I/O）線，開(kāi)發(fā)利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
- 減少抑制器軌道數(shù)量
- 信號(hào)回路規(guī)模最小化
迄今為止，此系列文章已經(jīng)報(bào)道了ESD破壞機(jī)理、沖擊源模型和防護(hù)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(yīng)用方面，并針對(duì)一些案例，提供特殊應(yīng)用電路保護(hù)方案。
實(shí)際上，所有ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都涉及了沖擊源模型，例如人體、機(jī)器或充電器件。這些模型精確地解釋了測(cè)試源的導(dǎo)電特性。最新的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)如普遍應(yīng)用的IEC-61000-4-2，詳述了沖擊波形，進(jìn)一步將測(cè)試源簡(jiǎn)化成測(cè)試源變量參數(shù)，為研究和評(píng)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(hù)，仍有大量瞬態(tài)電壓過(guò)載的非ESD源需要防護(hù)。因此，不但要明確產(chǎn)品將必須應(yīng)對(duì)這些沖擊源，而且要確保ESD防護(hù)足以應(yīng)對(duì)這些沖擊源。如果不能應(yīng)對(duì)，則需要在能防護(hù)多種危險(xiǎn)的單一裝置和多個(gè)防護(hù)裝置之間尋找折中辦法。
拓?fù)渥兓?/strong>
各種電子元器件中，半導(dǎo)體對(duì)超負(fù)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(hù)元件，該元件大多數(shù)情況都是制造商焊墊設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)相連的電線，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(shè)計(jì)包括焊接區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)保護(hù)裝置的金屬化外形，由焊墊用途決定焊墊的類(lèi)型和數(shù)目。
例如，與信號(hào)輸入相關(guān)的IC焊墊的特點(diǎn)是齊納二極管和結(jié)型鉗位二極管連接供電軌（圖1a），或者兩段式齊納鉗位二級(jí)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(kuò)散。
在任何情況下，IC供應(yīng)商在產(chǎn)品里設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置總是有限的。在設(shè)計(jì)良好、使用正常的情況下，它們作為次要的防護(hù)裝置效果十分顯著；但是，當(dāng)它們作為瞬態(tài)電壓事件的主要防護(hù)裝置時(shí)，由于離瞬態(tài)切入點(diǎn)距離遠(yuǎn)、并且規(guī)模有限，它們的防護(hù)效果就十分不理想。尤其對(duì)于在使用時(shí)難以控制的便攜設(shè)備來(lái)說(shuō)，情況更是如此。
設(shè)計(jì)時(shí)，可以保護(hù)簡(jiǎn)單低速的單端輸入/輸出（I/O）線，開(kāi)發(fā)利用類(lèi)似于IC制造商使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(hào)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/輸出線中承受某些額外阻抗（如在單端邏輯輸入時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)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(hù)（圖2b）。一些TVS二極管供應(yīng)商在單一小型組件包里提供兩個(gè)結(jié)型二極管和一個(gè)TVS夾鉗，進(jìn)一步減少組件數(shù)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(hù)（圖3）。
不同的輸入/輸出線（比如適用于USB2.0規(guī)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(shè)備或系統(tǒng)的信令方法一樣，有效的USB 2.0端口保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括一個(gè)共模扼流圈，以誘導(dǎo)的方式幫助過(guò)濾鄰近線路中的耦合瞬態(tài)，這種瞬態(tài)傾向于與一對(duì)平衡線中的兩條都連接。
USB 2.0端口的最大傳輸速率為480Mbps，要求保護(hù)裝置基本不發(fā)生并聯(lián)式的寄生電容效應(yīng)。在這一點(diǎn)上USB 2.0與其它應(yīng)用相同。TVS二極管供應(yīng)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(jié)點(diǎn)偏離、CP是元件偏離（圖5b）。當(dāng)供應(yīng)商在制造、元件設(shè)計(jì)和封裝能力上達(dá)到極限時(shí)，就會(huì)借助于復(fù)合設(shè)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(yùn)行，抑制器制造商可以通過(guò)一系列TVS二極管和結(jié)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(jié)構(gòu)的純電容等于
，其中，CJ是結(jié)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(fù)合設(shè)備正在運(yùn)行，結(jié)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(yùn)行的耗損要少得多。結(jié)型二極管的結(jié)點(diǎn)區(qū)及其電容也更小。因此，結(jié)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(fù)合設(shè)備的總體斷路電容。
鉗式結(jié)構(gòu)（如圖3）的優(yōu)點(diǎn)之一是按正向傳導(dǎo)能力大小進(jìn)行排列的結(jié)型二極管是與輸入/輸出線相連，而更大電容的TVS二極管實(shí)際上是與供電線相連——在這種導(dǎo)電環(huán)境下，TVS的偏離電容是不起作用的。
對(duì)于需要雙向保護(hù)的應(yīng)用，兩個(gè)TVS二極管可以串聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)——背靠背或者面對(duì)面，單獨(dú)運(yùn)作或者與結(jié)型鉗位二極管共同運(yùn)作。在所有串聯(lián)復(fù)合設(shè)備中，受保護(hù)節(jié)點(diǎn)的純電容負(fù)荷少于單一設(shè)備的純電容負(fù)荷。
類(lèi)似圖1b中的片上二段夾鉗結(jié)構(gòu)也應(yīng)用于外部夾鉗，在相同設(shè)備中同時(shí)實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)超電壓防護(hù)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)均可直接利用，滿足各種實(shí)體電路層對(duì)于信令的具體要求（圖7）。抑制器供應(yīng)商通常按照通信標(biāo)準(zhǔn)在選擇器向?qū)е袑?duì)元件加以區(qū)分，確保適當(dāng)?shù)膸捄湍承┨匦宰杩沟膽?yīng)用。
布線
在設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)時(shí)會(huì)涉及到電路拓?fù)浜筒季€。與所有出現(xiàn)多重返回電流的系統(tǒng)一樣，設(shè)計(jì)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(xiàn)串音、干擾或其他方面的信號(hào)質(zhì)量下降。
在瞬態(tài)抑制電路中，多數(shù)供應(yīng)商建議將TVS二極管及其關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)底板接地，或者在絕緣的閉路系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)電力接地。抑制器元件應(yīng)安裝在盡可能接近切入點(diǎn)的地方，減少軌道數(shù)量，因?yàn)樗矐B(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)。
遵照高頻布線的總體設(shè)計(jì)方針，除將走線阻抗減至最小外，信號(hào)回路的規(guī)模也要最小化，以減少EMI輻射。如果設(shè)計(jì)中的信號(hào)線需要阻抗控制流，需注意走線上的懸掛式抑制器將導(dǎo)致本地阻抗的不連續(xù)性，繼而破壞信號(hào)的完整性。大多數(shù)抑制器制造商在提供用于阻抗控制的元件同時(shí)，也提供具體的布線指導(dǎo)。通過(guò)修改指定長(zhǎng)度的走線外形，抑制器帶來(lái)的并聯(lián)阻抗就能得到彌補(bǔ)。最后，至少有一個(gè)制造商可以提供具有內(nèi)部信號(hào)接口的阻抗控制元件，使所有的彌補(bǔ)在元件內(nèi)完成。
