保护微控制器I/O线不受ESD和其他瞬变影响的设计技术

要做一些有用的事情，必须将微控制器（MCU）连接到其他设备。此连接通过输入/输出（I/O）引脚进行。现在更多的时候，引脚是多功能的，可以连接到A/D，D/A，线性功能（如运算放大器和比较器），电压基准等等。因此，对于设计工程师而言，保护这些I/O免受潜在的破坏性静电和其他类似威胁至关重要。

在为MCU建立适当保护时，工程师们发现他们所依赖的特性多年来突然变得不那么有效，他们被迫重新审视过去的问题。为什么？原则上，由于市场压力降低了产品成本，半导体制造商将更高的集成度与工艺几何尺寸的不断缩小相结合，使芯片尺寸更小。因此，实现必要的瞬态抗扰度保护以防止由于电源和信号线瞬变引起的故障变得越来越困难。

当几何尺寸和IC特征尺寸较大时，I/O焊盘有很多肉类驾驶员的区域和良好的防止ESD损害的保护。在努力提高产量的过程中，使用较小的模具和垫片，仅仅就其本质而言，它们不太能够击打以保护微型元件。根据经验，静电电荷将始终通过尽可能短的路径，精细的微I/O线会导致更多静电放电通过。

本文着眼于不同级别的MCU对电快速瞬变（EFT），静电放电（ESD）和其他短时间事件的抗扰性，并提出了实用的硬件和设计技术，可以提供保护微控制器I/O线的经济有效的方法。

免疫性能

可以将瞬态威胁分为三大类：静电放电（ESD），电快速瞬变（EFT）和浪涌瞬变。为确保电路对这些瞬变的稳健性，国际电工委员会（IEC）在其IEC61000-4系列电磁兼容性（EMC）标准中规定了一系列瞬态抗扰度测试：IEC61000-4-2涵盖了ESD抗扰度（适用于手持设备） IEC61000-4-4用于EFT抗扰度和IEC61000-4-5处理浪涌抗扰度（雷电和工业浪涌）。

集成电路的抗扰度性能如同便携式电话和计算机等设备一样。进一步分为IEC文件（IEC 62132-1）中规定的四类中的一类。¹A类性能定义为瞬态应用期间规范限值内的正常性能。 B类性能是暂时性降低或功能或性能损失，在瞬态消除后可自行恢复。 C类性能定义为临时性降级或功能或性能损失，需要在移除瞬态后进行操作员干预或系统复位。 D类性能是由于数据损坏或丢失而无法恢复的永久性降级或功能丧失。

各种标准组织已使用标准化测试和监测分析了瞬态电压事件，并就多个级别的保护达成了一致意见需要根据条件的特点（表1）。考虑到用于这些应用的驱动器，I/O晶体管和半导体类型的特性和限制（表2）。

电压电流上升时间持续时间照明25 kV 20 kA10μs1ms开关600 V 500 A50μs500ms EMP 1 kV 10 A 20 ns 1 ms ESD 15 kV 30 A 《1 ns 100 ns

表1：几种瞬态类型的主要特性。

器件类型漏洞（伏特） VMOS 30-1800 MOSFET 100-200 GaAsFET 100-300 EPROM 100 JFET 140-7000 CMOS 250-3000肖特基二极管300-2500双极晶体管380-7000 SCR 680-1000

表2：器件接口技术磁化率特性。

除其他因素外，受ESD或EFT事件影响的MCU性能受其工艺技术，IC封装，印刷电路板（PCB），MCU上运行的软件以及ESD特性的影响或EFT活动。

像TMS320F28035PAGT这样的德州仪器微控制器将符合IEC标准，但仍然会受到大量冲击的影响，尤其是在连接SD/MMC卡，USB，IEE1394和千兆以太网等应用的电缆和连接器时。

汽车应用也可以引入高压放电。飞思卡尔半导体MCU（如MCF5329CVM240）利用该公司及其前身（摩托罗拉）在军用和航空航天硬化处理器发展过程中进行的广泛测试和故障分析。他们将电气过应力（EOS）的两种失效机制隔离，作为施加在引脚上的总能量的函数。在一种情况下，键合线可以熔合，如果键合线可以将电荷传递到内部I/O焊盘，则可以进行熔丝管金属化（图1）。

图1：如果允许通过，即使有内部保护，只需1 A即可导致芯线熔断和基板金属化。

STMicroelectronics等微控制器制造商使用各种自己的测试系统（如Fast） Transient Burst ［FTB］测试仪）用于测试STM32F429IIT6等MCU，后者具有高性能ARM®32位Cortex™-M4处理主干，可与几个对ESD敏感的外部I/O结构连接。/p》

对于STM8S 8位MCU系列，ST在产品特性描述期间以样品为基础进行磁敏度测试。对于功能性EMS，在执行简单应用程序（通过I/O端口切换两个LED）时，产品会受到两个电磁事件的压力，直到发生故障（由LED指示）。对于ESD，静电放电（正极和负极）施加在器件的所有引脚上，直到发生功能性干扰。该测试符合IEC 61000-4-2标准。对于FTB，通过100 pF电容将一连串快速瞬态电压（正和负）施加到VDD和VSS，直到发生功能性干扰。该测试也符合IEC 61000-4-4标准。

器件复位允许恢复正常操作。测试结果基于应用笔记AN1709中定义的EMS级别和类别。

所有MCU供应商都使用精心设计的做法来降低其产品对ESD事件的敏感性。但是，正如Microchip Technology在应用笔记AN595中所述，³保护电平因引脚而异，反映了每个引脚的不同功能。某些类型的引脚（特别是电源引脚）比其他引脚更容易受到ESD脉冲引起的闩锁的影响。这是由于不同的设计和布局考虑因素降低了ESD保护的有效性。

因此，具有高EMC抑制性的IC减少了对外部元件的需求，因此通常采用片上IEC-ESD保护适用于实验室和便携式设备，这些设备很可能因人体接触连接器和电缆而出现放电事件，但对于工业环境中发生的EFT和浪涌瞬变可能不够。因此，稳健可靠的设计可能需要外部瞬态保护装置。

保护解决方案

保护非常短时间内极高瞬态的最古老但最有效的技术之一是限制高压条件下的浪涌电流。虽然较小的焊盘无法在物理上处理较大焊盘所能达到的电流密度，但它们可以在不损坏的范围内可靠地分流功率。外部无源器件在此处非常有用，可以衰减和减慢损坏的电平。

典型的3.3 V系统具有灾难性的I/O焊盘故障模式，可以使用22Ω的短路串联电阻，以限制电源电流。在许多非高速应用的正常操作期间，串联电阻不会影响性能。在短路故障期间，当暴露于电源短路时，½W22Ω电阻将电流限制在150 mA。这仍然是一个系统故障，但不太可能着火。

系列铁氧体也可用于抑制瞬时电流突发，它们可以带来衰减高频EMI和RFI的额外好处。但请注意，因为这些“电感性”部件会在某些条件下引入尖峰。

这些无源低成本解决方案对于VCC故障和相当低的电压但可能是高电流故障非常有效。然而，高压尖峰可以并且确实会造成严重破坏。例如，即使我们的22Ω示例在典型的8 kV静电放电期间仍将允许363 A的瞬时电流。这里的并联电容也可以通过将其分流远离微型I/O线来限制浪涌电流（图2）。

图2：被动R/C时间常数可用于限制较高级别的峰值，直到较慢响应的抑制器可以参与。请注意，耗散的能量是相同的（曲线下面积）。

请记住，静电放电通常是非常快的事件。结果，电容器不必存储大量电荷。事实上，你不需要大电容。它会扭曲信号并降低数字性能。它必须足够减慢电压上升速率，以允许电路以更可控的方式吸收能量。对于像某些汽车设计这样可能充满EMI的环境中的低速信号，这很好。

可以使用无数的分立器件甚至R/C阵列来分接多个可能暴露的I/O线路。这些技术可以与半导体瞬态电压抑制技术结合使用，这种技术可以非常快速地吸收和分流更高的电平;你想要快速的响应时间。我们的22Ω示例暴露在8 kV电压下，当接地短路时几乎会瞬间耗散3 MW的功率。

对于大多数正常环境，静电不应超过15 kV（但我们当条件恰到好处时，所有人都对高于平时的冲击感到惊讶。这就是为什么通常需要保护几条I/O线，即使它们不与外部导体耦合。小引脚间距可以让电弧跳跃。德州仪器（TI）的通用TPD4E001 ESD保护阵列等多通道ESD器件可以为您提供帮助。 TI TPD4E001DRLR等部件提供30 kV范围（+15至-15 kV）的双向保护。

除通用部件外，还可提供专用设备，如设计，作为用于USB充电器端口保护的TI TPD4S014DSQR，或用于VGA端口保护的供应商TPD7S019-15DBQR。

Tyco还为其TE Connectivity部门提供满足此需求的部件。 TE的硅ESD系列（SESD）尺寸与前几代相比有所减小，最新的0201尺寸部件具有极低电容（0.6 pF）和可选电压响应范围的系列元件。单通道，双通道，四通道和六通道部件有助于缩小空间。

例如，请查看SESD0402P1BN-0450-090。该器件具有6 V的反向电压隔离电平。当暴露于典型的8 kV ESD事件时（图3），它可以非常快速地达到9 V击穿，并且在高达2 A的浪涌下非常有效地钳位在12 V（图4）

图3：典型的8 kV ESD事件迅速增加，但在达到峰值之前被切断。在几纳秒内，浪涌已经稳定，瞬态电荷已经放电。

图4：在经受ESD事件时，击穿发生的速度足够快，可以钳制在或低于结论

结论

在将数字电路与外界连接时，必须注意保护敏感电子设备。长期以来，工程师一直将其留给微控制器供应商，为I/O线提供固有的保护。虽然它们做得非常好，但越来越多的电子设备更容易受到ESD的影响。

现在芯片尺寸与I/O焊盘相当，我们可能需要外部保护，特别是ESD。幸运的是，如果你知道在哪里寻找，有几种技术可以提供解决方在大多数情况下，提供必要保护所需的电路小，便宜且易于理解。总体而言，在设计系统时，MCU保护只需要一些预先考虑，以避免在部署系统后出现许多困难。