墨菲定律和设计“非数据手册”的风险

本应用笔记考虑了集成电路（IC）的数据手册外工作。它讨论了等待没有经历过墨菲定律的工程师的陷阱，墨菲定律是任何可能出错的东西，都会在最糟糕的时候出错。本文回顾了经验丰富和经验不足的工程师的思维过程，以及他们如何使电路免受环境污染、射频干扰和静电放电的泄漏。

介绍

我相信墨菲定律是生活中的一般规则。墨菲定律说，任何可能出错的事情都会在最糟糕的时候出错。维基百科用图 1 所示的图像说明了墨菲定律的历史。墨菲有时会制造火车残骸。

维基百科解释说，1895年的出轨发生在格兰维尔-巴黎快车越过缓冲站时。事故是由刹车故障和试图弥补失去的时间的发动机司机造成的。发动机在车站大厅附近滑过近30米（98英尺），撞穿60厘米（24英寸）厚的墙壁，穿过露台，驶出车站，坠落到雷恩广场10米（33英尺）以下，在那里它站在它的鼻子上。

标准器件测试和数据手册规格

现在考虑墨菲定律如何影响已经过测试并符合已发布规格的IC。重要的是要了解IC的测试方式与客户应用中IC的使用方式之间存在差异。自动测试设备（ATE）上的测试时间非常昂贵;它是分一秒支付的。由于IC通常有许多可能的应用，并且只有一个测试，因此制造商设定规格以满足大多数应用。然后定义一个测试程序，以最短的测试时间测试这些规范。IC行业的一句著名格言是：数据手册描述了测试条件和规格。所有制造商都通过测试和/或模拟的组合来保证零件满足最小值和最大值（这就是“设计保证”的意思）。

通常“通过设计保证”的参数的一个例子是工作温度范围。该器件在一个温度下进行测试，“房间”，表示+25°C;它不会针对设备公布的工作范围内的每个温度进行测试。相反，设计仿真使我们能够预测设备在整个温度和过程变化范围内的运行情况。此外，大多数制造商在参数周围设置保护带以允许这些变化。据统计，许多制造商将安全墙设置为“六西格玛”，这是一种普遍接受的方式，用于说明标准偏差满足该参数规范的概率为 99.9997%。通过设计保证用于工作温度范围，而不是将测试时间增加三倍或更多。

如何在“数据手册外”使用器件？

所有部分都有局限性。我们只是无法为所有可能的用途设计一个零件。即使有人尝试过，也没有人能负担得起这样的部分。这就是为什么有数以千计的逻辑器件和器件系列以及运算放大器（op amp）和模数（ADC）和数模（DAC）数据转换器的原因。

图2.以线性模拟方式使用的CMOS逻辑。

举例来说，几年前发明了CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑。它被设计成廉价的数字逻辑。工程师们很快开始以线性模拟方式将数字逻辑用于无穷无尽的应用，这些应用将从更便宜的IC器件中受益。在图2a中，使用具有两个电阻的逻辑反相器作为粗放大器。由此产生的设备的规格几乎不足以工作。数据手册没有说明此应用，IC制造商不保证此用途的任何参数。因此，这种粗糙的放大器实际上是“数据外”使用的定义。聪明的工程师可以使用IC封装中的所有六个逆变器。图2b为运算放大器增加了更大的电流驱动能力。图2c为振荡器，图2d与图2a相同，增益更大。图2e是一个4位DAC。如果我们用计数器驱动图2e，我们会得到一个楼梯发电机。添加一个窗口比较器，我们可以通过在DAC输出与输入电压匹配时停止计数器来制作逐次逼近型ADC。

有时，新的行业标准或客户特定产品是从数据表外使用演变而来的。客户可能希望保证某个参数并联系制造商：“如果您测试 x 和 y，我们将多付一点钱。我们今年将购买一百万件”。至于新产品，标准逻辑系列曾经使用发射极耦合逻辑（ECL）。它比当时的大多数晶体管都快，因为晶体管以线性模式（模拟工程师的耳朵里有音乐）而不是较慢的饱和开关晶体管运行。第一批客户和应用使用接地和负电源。工程师不仅在模拟电路中尝试使用它，还将其与接地和正电源一起使用。一个新的产品系列以PECL的明显名称产生，用于正发射极耦合逻辑。

有时，器件在数据表外应用中会被滥用。零件可能超频;它们的运行速度超过了数据手册所保证的速度。这些部件可能会故意运行得很热，因为客户愿意降低可靠性以获得性能优势。电源可以有裕量，这是一种逐板改变电源电压板的方法，以去除稍微差的板或选择性能价格更好的超级明星。如果工程师了解后果并理解IC制造商不保证或保证此类操作，则所有这些用途都是可以接受的。

根据数据手册进行设计的风险

数据外使用也可能使缺乏经验的数字设计人员陷入电路设计中，而这些设计根本无法按预期工作。一些教育机构过于关注数字技术，以至于模拟教育正在遭受损失。因此，一些年轻聪明的工程师缺乏一定的知识和经验。现代消费类设备倾向于利用数字技术。不幸的是，人机界面涉及触觉、听觉和视觉的模拟感官。此外，还需要以模拟方式清洁和滤波电源，以隔离电路免受干扰和其他电路的影响。

图3.为没有经验的数字设计师提供模拟陷阱。

图3显示了新数字工程师可能陷入的模拟陷阱。经验丰富的模拟工程师会看到至少三个陷阱由于注意力不集中和高输入阻抗而等待。首先是直流漏电问题;其次，存在静电放电（ESD）问题，第三，噪声加射频干扰（RFI）的交流问题。我们将依次检查每个。

直流漏电问题

图3a显示了一个高增益（超过40dB;比率为100）放大器。IC数据手册警告说，输入电容需要尽可能靠近输入引脚。数据手册还警告输入引脚上不要出现“长”走线。

我们的新数字工程师可能会认为“OK”，这意味着如果引线长度保持在大约一英寸以下，那么它们就不会长，电路将正常工作。这位工程师从未设想过图 3b。同时，经验丰富的模拟工程师了解交流耦合（电容）放大器必须以某种方式设置其直流偏置电压。我们的模拟工程师继续阅读数据手册，了解图3b中的电路。不受经验的束缚，数字工程师继续进行设计。实际上有两个传感器需要连接到放大器输入端，一个位于PCB（PCB板）上，另一个通过带有3英尺至6英尺电线的连接器连接外部传感器。虽然这种需求会提醒经验丰富的模拟工程师，但我们的数字工程师却被看似简单的电路所哄骗。数字工程师决定使用遥控数字电位器，而不是在信号源之间切换。这允许两个传感器之间的衰落，并简化了系统，因为它减少了开关时的建立问题。那么，数字工程师现在是否对电路进行试验板？不，只有老式的工程师才会对物理面包板进行布线和焊接。新的数字工程师布置电路板并进行组装。

现在墨菲定律真的介入了。考虑整个设计周期中的事件顺序。确定生产交接日期。整个设计过程中的每一个延迟都会在交接前的最后堆积任务。我们的数字工程师在哪里最有可能匆忙、睡眠不足和承受压力？这始终是在电路板测试和初始系统测试期间。现在出现了有问题的问题;之前被墨菲定律击中的“火车”开始脱轨。值得庆幸的是，大多数问题都可以在软件和固件中修复，或者至少降低到普通消费者不会注意到的阈值以下。这些问题不需要可怕的电路板重新布局。现在一切正常，因此系统测试仍在继续。时间很短，但项目运行顺利，并投入生产。生产建立符合规格的试运行 开始批量生产。

经验丰富的模拟工程师害怕墨菲定律。这是一个很好的尊重恐惧。因此，我们的模拟工程师以不同的期望开始项目。首先必须有面包板，也许不是所有的电路，这是从以前的项目中知道的。当然，任何新的最先进的尖端电路，这是该产品所依赖的功能，都会得到一个面包板。然后，该模拟工程师将计划将电路板中继三次以对其进行优化。一些项目计划有更多的电路板布局。（注意：我们可以查看示波器的前端板，并注意到两件事。首先，主板布局修订号将为 9 或更高，其次，布局受版权保护。这是因为电路板布局是设计中不可或缺且不可分割的一部分。我们的模拟工程师将留出时间在电路板和系统级别进行延迟累积和全面测试。可以在消费者的操作环境中进行测试。

为什么经验丰富的模拟工程师会惊慌失措？

图 3c 是一场灾难。它要求墨菲定律罢工。哦，我们有没有提到这是一种将放在客户口袋里的消费品？首先，我们给数字电位器一个数字，以便我们知道它的封装尺寸。它是一款MAX5418，是一款256抽头、100kΩ，采用3mm x 3mm TDFN封装;电位器销在零件的一侧成一排。对于新的数字工程师来说，这部分听起来不错，因为3mm x 3mm意味着电路板走线很短。“等等，不要那么快，”模拟工程师说。使用500kΩ输入阻抗，我们如何防止助焊剂残留物和脏污PCB泄漏？即使PCB在组装后得到了适当的清洁，我们如何保护它免受其操作环境中的人为污染？是否需要保形涂层？

当人类在环境中呼吸时，该区域的物体（例如，在衬衫口袋中）会沉积许多化合物。人的呼吸有水分（水蒸气）;代谢废物，如醛和酮，分解碳水化合物、酒精、丙酮、烟雾;和大气中的烟雾（大多数被吸入的东西都被呼出）。然后如果人类可以触摸板子，就会有含有代谢化合物、硫酸和油的指纹来收集灰尘。人类也在不断地清除皮肤细胞和头发颗粒。这些颗粒吸引并保持水分。潮湿的污垢导电。

在制造过程中控制ESD的必要性会产生意想不到的后果。抗静电器件用于IC封装组装，ATE测试期间，IC运输以及PCB组装，产品测试和运输。服装工作服和实验室外套涂有亲水材料，随着人的移动而剥落和摩擦。许多人穿着带有牺牲碳负载拖曳带的导电短靴，这些带子会脱落导电颗粒。设备可能有导电金属和塑料刷毛刷，这些刷子会磨损，留下导电颗粒。运输袋、气泡膜和 IC 卷轴和管子都会在零件在运输过程中摇晃和嘎嘎作响时脱落导电亲水颗粒。亲水材料通过从空气中吸出水分使表面导电来减少静电积聚。同样，潮湿的污染会导电。

我们回到PCB走线长度和直流泄漏。

运算放大器实际上是ASIC的输入部分。ASIC 封装为球栅阵列 （BGA）;它在 50.0 英寸（031.0 毫米）的中心有 8 多个球。在PCB上，ASIC被混淆区域包围。这是信号试图扩散以建立互连的地方。如果不考虑电路板成本， 人们希望增加 PCB 中靠近 BGA 封装的层数.由于信号非常密集，因此很难将它们扇出并连接到周围的电路。如今，大多数消费类产品PCB将自己限制在两层或四层电路导体上.玩具和其他对成本极其敏感的产品可以是带跳线的单面 PCB.在BGA的情况下，四层板需要非常熟练的布局。首先，电路的两个中心层分别保留用于电源层和接地层。当接近ASIC时，接地层和电源层需要包含其他电路;牺牲接地层和电源层来增加信号路径。即使使用所有四层，连接电路的工作也很困难。某些信号可能需要多次从一层缝合到另一层才能布线。由于通过过孔的每条线迹都会增加电感，因此必须首先拼接最低频率。

另一个问题是输入球与动力球相邻。焊接前，球相距0.013英寸;焊接后的距离取决于PCB走线尺寸。在任何情况下，都有可能导致助焊剂、污垢、亲水性或其他污染导致泄漏电流。

新的数字工程师将查看图3c，并建议将ASIC输入和电位器游标之间的走线降至约0.078英寸（2mm）。经验丰富的模拟工程师将寻找直流泄漏，并得出结论，电位器的高低引脚以及两个电容器已连接。为什么？因为在使用中，电位器的游标通常连接到一端，而通过100kΩ连接的另一端仍在电路中——正如我们将看到的。回到直流情况，我们估计电位端和两个电容器之间的走线距离增加了0.2英寸（5毫米）。这意味着，超过0.275in电路板走线和两个IC封装表面的助焊剂、污垢或污染产生的任何漏电流都可能导致漏电流。因此，如果ASIC偏置电压变化5mV，电路将失效。欧姆定律表示，5kΩ输入阻抗上的500mV为10nA。泄漏 10nA 需要多少助焊剂、污垢或亲水污染？从很少到几乎没有会导致泄漏。

可持续发展教育问题

我们有一个外部引脚连接到我们的500kΩ电路阻抗。墨菲定律正在召唤——我们如何防止ESD？如果消费者在低湿度情况下走过地毯，在乙烯基椅子上摩擦衣服，或者抚摸猫，它们会产生静电。然后，只需将电缆插入产品的外部连接器，就会产生现场故障。我们谈论的是具有足够电离空气的电弧。当我们看到一个弧线时，我们看到空气被过度加热到白炽灯。

当一个人在低湿度的冬日走过地毯时，静电荷会积聚。当我们触摸金属物体时，电荷会突然放电，这会伤害我们。一厘米（0.4英寸）长的弧形并不少见。一般规则是，在1%相对湿度的空气中，5000cm的火花为50V。

图4.典型的冬日静电放电。

ESD也会伤害电容器和IC！图4a显示了由我们的新数字工程师设计的电路，他感到安全，因为从外部连接器到IC不存在直流路径。然而，在火花跳跃 0.4 英寸后，它很容易跳跃 0.028 英寸。图4b显示了以相同比例绘制的外部电弧和电容。这是IC内部的一个巨大的闪电，其间距小于人类头发的宽度。在第一个电弧之后，电容器可能会短路，因为它仅指定具有50V的工作电压。IC充其量只是轻微损坏。在最坏的情况下，它被破坏，闪电可能已经通过第一个IC传播，破坏了电路板上的其他IC。

为了保护IC免受ESD的影响，几乎所有IC的引脚上都有ESD保护结构。图5是这种ESD结构的简化。

图5.两种典型的简单ESD结构。

如果闪电击中或靠近电源线，就会有如此多的能量，以至于没有任何东西存活下来。如果雷暴来临，最安全的做法是拔掉电子设备的插头。IC内部的ESD结构不是为应对雷击而设计的。相反，它们旨在消散金属机器和人体接触可能发生的轻微环境静电。保护IC的最重要时间是在将其焊接到PCB之前。这是在IC封装组装，ATE测试和IC运输以及PCB组装期间;在整个过程中使用抗静电装置。特殊的衣服、腕带、卸鞋带以及旨在减少静电的设备很常见。ESD保护对于最终产品的可靠性至关重要，因此至少每天都要测试ESD设备的有效性。

如图5所示的IC焊接到PCB上之前。没有任何东西连接到外部引脚。目的是使IC上的静电电荷均匀化，以便没有电流流动。这就像在太空中飞行卫星一样;我们不知道也不关心静电荷是什么，直到我们接触到其他物体。IC管或卷筒处于相同的状态。只要静电荷均匀，就不会有电流流动，这就是管子和卷盘是导电的。当从货物中收到管子或卷盘时，静电被排放到导电接地台上。一旦容器处于相同的本地接地电位，就可以从容器中取出IC。您是否曾经看到一位工程师在实验室中将裸IC交付给另一位工程师？他们知道，如果他们握住IC的一端并允许另一端接触另一个工程师或接地的桌面，他们可能会通过IC释放静电。放电电流可能会损坏IC。实际上，两位工程师在转移IC之前都会触摸相同的导电桌面。或者，工程师可以在转移IC之前触摸手以平衡任何静电荷。

如果出现电流在IC内部流动的情况，图5a和b中的齐纳二极管将沿正向和反向导通，以尽量减少损坏。图5c中的电路将导致底部二极管在负电压下导通。对于正电压，上部二极管将正向偏置，齐纳二极管位于V上抄送线路将沿反向偏置方向传导，以尝试保护IC。

现在想象图5中的IC焊接到PCB上。与未安装状态相比，IC在电路板上的保护通常更好。大多数经验丰富的模拟工程师的电路板设计都为电路板的外部连接集成了自己的ESD保护。该板的ESD保护可以包括承载比IC内部可能构建的更大的电压和电流的器件和技术。PCB通过分立二极管、雪崩二极管、瞬态电压抑制（TVS）二极管、气管放电器件、电阻器、电感器和金属氧化物压敏电阻（MOV）的组合来保护PCB免受ESD，仅举几例。外部分立元件更大，并在外部连接器和IC之间提供更可靠的电路板ESD保护。图5所示IC只需处理适度的残余ESD;然后，A、B 和 C 的保护电路将在未安装的条件下按上述方式运行，电路板电路为 V 提供低阻抗路径抄送和其他引脚。

在灾难性的大ESD条件下，整个ESD结构和IC将被破坏。通过开盖去除集成电路的顶部将显示看起来像闪电击中芯片的东西。我们将看到从微小的针孔烧伤痕迹到熔化的混乱的一切。如果只有一个微小的ESD事件，ESD二极管可能会开始泄漏。这些泄漏可能始于皮安和纳安电流。随着ESD事件的进一步发生，泄漏可能会增加;其他损坏也会降低IC内部其他器件的性能。这种劣化会降低IC和使用它的任何产品的可靠性。这就是我们需要在每一步都采取ESD保护的原因。

RFI 和 PCB 走线长度

家用微波炉、WiFi、无绳电话和蓝牙®无线电的工作频率约为 2.4GHz;波长略低于 5 英寸。天线，无论是有意的还是无意的，当它们在~1/8波长或更长时具有良好的增益。2.4GHz 的八分之一波长为 0.6 英寸（10.5 毫米）;对于 5.7GHz 无绳电话，它是 0.26 英寸（6.6 毫米）。手机以各种频率工作;在 1.8GHz 时，1/8 波为 0.82 英寸（21 毫米），在 800MHz 时，1/8 波为 1.85 英寸（47 毫米）。记住这些波长，我们回到PCB走线长度并查看图3c。交流信号被感应到走线中，并可能通过电容器或其他杂散电路电容。我们估计，未连接任何外部电缆（但包括连接器引脚）的走线最小值为 0.24 英寸（6 毫米）。“这很好，”新的数字工程师说。经验丰富的模拟工程师喃喃自语：“我们应该计算手机或无绳电话在一英尺远时的场强。这0.6W或更高可不是那么简单。我们的数字工程师很高兴，而模拟工程师则继续测试客户在现场将面临的“真实世界”问题。我们的模拟工程师知道RFI将在ASIC的早期阶段得到纠正并引起问题。然后，模拟工程师连接外部电缆。好的电缆指定屏蔽覆盖率随频率的百分比。一根好的电缆可以工作，但如果外部连接的传感器地线因磨损而磨损怎么办？当有人替换较便宜或非屏蔽电缆时会发生什么？如果地线屏蔽在目标频率下泄漏怎么办？当连接器变脏或松动时会发生什么？我们可能会遇到现场故障。这在这种设计中可以接受吗？我们经验丰富的模拟工程师决定使用低通滤波器保护前端。新的数字工程师永远不知道存在危险的可能性。

为什么ATE没有捕获小的nA和pA泄漏？

新的数字工程师可能想知道为什么ATE不测试现场应用中可能遇到的每件事。返回到上述“标准设备测试”下的注释。首先，如果“事物”不是数据手册参数，则ATE不会查找。其次，IC的大部分成本由测试时间决定，因此客户不想仅仅因为有人想使用数据手册中的器件而支付测试费用。

电路解决方案：保护产品所需的微小变化

MAX5418的数据资料电气特性表显示电位器的高引脚连接到V抄送并且电位器的低引脚接地。在这种情况下无法测量泄漏。锅的刮水器连接到末端。如果连接到任一端，则雨刮器接地或 V抄送通过雨刮器电阻的几百欧姆。（注意：无泄漏读数是实用的。如果电位器为中端，游标将看到两个50kΩ电阻并联。因此：

10nA × 25kΩ = 0.25mV 失调

（这是ATE不寻找的东西，并且在大多数设计良好的电路中都是可以容忍的。即使在测量漏电流的引脚中，大多数制造商也将1μA设置为可接受的限值。图6显示了正确的电路设计。即使电路MAX1部分的5418μA漏电流也会被忽略，不会产生影响。

图6.适当、安全的电路板设计。

在图6中，外部传感器输入受到RFI和ESD保护。新的数字工程师可能会问：“为什么 V抄送线路需要保护？是外线吗？对于可持续发展教育和 RFI，V抄送线实际上是双向的。所有其他电路如何在 V 上传播 ESD 和 RFI 的情况下工作抄送线？他们可能会运作不佳。内部传感器呢？是否需要 ESD 和 RFI 保护？这将取决于传感器是什么以及它是如何构造的。外部电弧会通过外部绝缘外壳上的孔撞击传感器吗？传感器的外表面是否接地，从而保护其信号输出端口？设计师需要考虑这些以及更多的事情。长期以来，经验帮助我们做得更好。

在电位器和ASIC之间有一个电容器。在电容器的左侧，两个电阻设置电位器的偏置。电阻将设置在低kΩ范围内，以消除任何直流泄漏。确切的电阻值将由传感器阻抗和功耗决定。事实上，由于电容器阻断了ASIC输入端的直流电，因此即使是很大的漏电流也会被忽略。请注意，电容器和IC放大器（ASIC）之间电容器右侧的电路走线尽可能短，正如ASIC制造商所建议的那样。该ASIC输入仍设置自己的偏置，并具有500kΩ阻抗。这使得它对污垢和污染敏感，但现在它是一个非常小的区域，从而将风险降至最低。为了对可靠性有最大的信心，应该考虑在这个小面积上涂上保形或环氧涂层。

结论

墨菲定律总是潜伏在电路设计过程中，它总是给没有经验的工程师带来通常意想不到的不良结果。墨菲定律在数据表外设计中特别活跃。最后，知识和经验是阻止墨菲和他的定律的最好方法。

树森环保局：郭婷