电容隔离——解决交流电机驱动中的关键挑战

geren2014

微电子电路面临的风险比以往任何时候都大，罪魁祸首是静电放电（ESD）。静电放电是隐秘的杀手，特别容易攻击敏感的 IC。单次静电放电事件就可以将 PCB 摧毁。抗静电放电设计只要错失一步就可能意味着延误上市时间、影响开发进度，以及激怒客户。在某些高压力情况下，甚至意味着你的饭碗不保。

在尺寸不断缩小的微电子时代，如果 ESD 瞬变未加抑制地在 PCB 走线上出现之前你不去主动地阻止它们，那么 ESD 事件很可能毁了你的产品。

在写这篇文章时，我刚好想起几个月前发生的一件相当有趣的事。一位快要发疯了的客户联系我们寻求紧急帮助，希望能够保护他的系统免遭“愤怒的”ESD 瞬变伤害。这个可怜的家伙遭受了一系列抗 ESD 故障的打击，并使得他的产品规划全泡了汤。他肯定错漏了一些步骤。

首先，他没有在任何 I/O 接口处实现保护钳位电路，也没有为 TVS 钳位器件放置 PCB 焊盘作为他需要保护的“安全阀”措施。使挑战更加复杂的是，这种特殊产品上的 I/O 端口被连接到了一些高速和非常敏感的通信 IC。并没有发生多少 ESD 就使得这些电路板发生了通信故障。图 1 显示了在数据线上使用钳位二极管的例子。


图 1：TVS 二极管可以在数据线上提供 ESD 保护。这个例子展示了带 ESD 保护功能的 USB 2.0 数据线。

当第一块板没有通过 ESD 一致性测试时，还会推出版本 1 和版本 2。这次不再是“瞎猜了”。客户显然找到了一个 ESD 额定电压为±15kV 的瞬态电压抑制（TVS）钳位管。他在电路板的一些 I/O 端口上布放了一些 TVS，然后相当高兴地认为这个器件可以保证他的系统可以抗±15kV 的 ESD 冲击。虽然这步走的方向是正确的，但他仍然从根本上误解了 ESD 威胁。第二版电路仍然没有通过±15kV 电压的测试，虽然这时他发现用 TVS 带来了一定程度的改进。图 2 展示了 TVS 二极管如何“钳位”来自 ESD 脉冲的电压。


图 2：钳位二极管可以减小来自 ESL 脉冲的电压，因而能有效防止你的电路受到损坏。Transient Environment： 瞬态环境 Transient voltage： 瞬态电压 Transient current： 瞬态电流 Clamped voltage： 钳位电压 TVS Diode： TVS 二极管 Data Line Transceiver IC： 数据线收发器 IC

由于遭受了两次电击，这位工程师带着惊恐的心情求助于我们。随着我们对问题的深入分析，我真切感受到这位工程师的焦虑和恐惧。事实上，我有深切的感受，在这位工程师的 PCB 走线上乱串的 ESD 瞬态信号不仅会危害到电路板上的通信器件，而且毫不夸张地说可能威胁到他的工作。他早就需要一个解决方案了。由于时间不等人，而且这个已经推迟的设计另一端还有一位就要失去耐心的客户，我们接管了这个问题。他把电路板送到了我们的 Semtech 实验室，明确希望我们保护这个产品免受 ESD 的伤害，继而也保护他的信誉和工作。

然而，我们首先需要澄清的误解是，TVS 钳位器件数据手册上的±15kV 额定值与他在 PCB 上想要达到的系统级保护阈值基本上没有关系。那个额定值涉及的是 TVS 器件本身的故障阈值，但并不等同于系统要保证的抗干扰度。正如事实摆明的那样，他的系统电路太敏感了，在满足针对 TVS 器件的电容约束和尺寸要求条件下，很难达到±15kV 的系统级抗干扰性能。

此外我要解释的是，并不是所有 TVS 器件生来都是一样的。不同制造商生产的两种 TVS 钳位器件的钳位性能可能有很大的差别。如果产品开发周期非常吃紧的话，选择便宜、山寨的 TVS 器件不是一个好的策略。因此，我们用一些更新的高性能低侧钳位器件对他的电路板进行了改造——这些器件可以抑制很高的峰值电流。这样，这块电路板的抗干扰性能有了显著的改进，如下图所示。


图 3：增加瞬态电压抑制可以显著降低钳位电压，保护敏感的 IC。Voltage： 电压

TVS Clamping Response （ 8kV Contact Discharge）： TVS 钳位响应（ 8kV 接触放电）8kV Contact voltage waveform： 8kV 接触电压波形 No external TVS protection implemented： 没有使用外部 TVS 保护 Clamped ESD voltage（ 8kV contact） with Semtech RClamp0531TQ TVS： 使用 Semtech RClamp0531TQ TVS 的钳位 ESD 电压（ 8kV 接触电压）Time： 时间

他的系统现在可以轻松通过±8kV 测试了（大多数情况下±8kV 足够了）。电路板仍然没能通过±15kV 接触放电测试（扩展目标），但比以前的结果要好多了。在此基础上，为了进一步提高系统的健壮性，我们在线路上增加了一个小的串联电阻，它足以压制残余的瞬态电流，但还不足以影响信号性能。

虽然增加电阻并不是最理想的方案，但它确实提高了抗 ESD 性能，在这样一个设计后期阶段，它提供了实现起来相对容易的修复手段。最终结果表明一切安好：稳健的产品，愉悦的最终用户，高兴的老板，以及更加深入理解 ESD 保护知识的工程师。正如他们说的那样，“增加电阻起到了四两拨千斤的效果。”我猜想在他的下一个设计中，我们的朋友会更加主动地去避免最后时刻才会发现的任何 ESD 失误。