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PCB板指南:保护元件的锁上和瞬变机制

2023-02-08 14:13
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一个合格的SOC(片上系统)需要具备逻辑电路、模拟电路及热动力学设计等,要成功地合理使用这些原件,工程师最好提前了解如何最好放置元件、布置布线以及如何利用保护元件,其中之一是锁上和瞬变机制。

首先,对深度次微米IC从线宽的瞬变恶化了关于过电压状态的敏感性,意味着工程师必须对这些器件进行保护,但不能影响到其性能。

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在一个保护输入里,任何保护元件在正常运作下都必须成纤维一个高阻抗电路,它必须加载尽可能小的电容负荷里,例如假定它是对正常输入信号加入小小效应的话。不过在过电压的一瞬间,同一个器件必须成为该瞬变电能的主要通路,将它从受保护器件的输入中引开,还有保护器件的承受电压应该高于它保护引脚上的最大允许电压,同理,它的相位电压要足够低,以防止受保护器件的损坏,这是由于在瞬变情况下,输入上的电压是保护器件的相位电压。

以前,瞬变电压抑制(TVS)二极管在印刷电路板上有效地将瞬变箱位。传统的(TVS)二极管是固态PN结器件,低至5V的电压也工作得很好。它们有快速的响应时间,低的籍位电压,高的电流浪涌能力—全都是所希望的特性。不过,传统TVS二极管的问题是低於5V以下会抬起它的头。在这里,它们所采用的雪崩技术是个障碍。要在5V以下达致Stand-off电压,要采用高度的掺杂(在1018/cm-3或以上)。这反过来,又会引致更高的电容和漏电电流,两者都会损害高性能的。传统的TVS二极管具有电压相关的电容,随电压减少而增加。例如,在5V下,典型的ESD 保护二极管会有400pF 的结电容。我们可以想像一下,这样的电容性负载加於100Base一TEthernet 发射器或接收器的输入节点,或加於通用串行总线(USB)输入,会有甚麽问题。而且,这些正正是最需要进行瞬变保护的那些电路类型。

低於5V电压的情况下,传统的TVS二极管并非真正的选项。但这也不是说你再无可选择的了。由加州伯克莱大学和Semtech公司(加州NewburyPark市)共同开发的一种新技术,提供了一直低至2.8V工.作电压的瞬变和ESD保护。你可以在一系列的TVS器件中去选定一种,具有合适的电容,stand-off电压,和第位电压来符合自己系统的要求。之後,还要考虑应把该器件放在板上的甚麽地方,如何给电路板布线等问题。

在保护通路中的寄生电感会引起高电压的过冲及令IC损坏。在快速上升时间瞬变的情况尤甚,例如ESD。由ESD感应起的瞬变,据IEC1000-4-2的定义,会在不到1纳秒(ns)内到达它的峰值。以走线电感20nH/寸来计算,4份1寸走线自10A脉冲会引起50V的过冲。

你必须考虑所有可能的感应通路,包括地线返回通路,在TVS和保护线路之间的通路,以及由连接器至TVS器件的通路。而且,TVS器件应该尽可能地靠近连接器放置,以便将瞬变耦合到靠近的其他走线。

一块10/ 100Ethernet板是需要进行瞬变保护的子系统。在Ethernet交换器和路由器中所用的器件是暴露在高能量,雷电感应瞬变之下的。而所用的深度次微米IC在设计上对过电压锁上又是极度敏感的。在典型系统里,每个端口所用的双绞线对介面由两个不同的讯号对所组成—一对用於发射器,另一对用於接收器。发射器输入通常是最容易受到损坏的,在一个线路对中会出现有差异的致命性放电,并且透过变压器以电容性地耦合到EthernetIC。

有一种情况是,讯号频率很高(100Mbit/s)而供电电压又低(典型是3.3V),保护器件必须有很低的容性负载,而其stand-off电压远低於5V。还有另一种情况,其中在保护通路中的寄生电感可以导致很大的电压过冲。为使效率提到最高,电路板的布线应该是,保护器和受保护线路之间的通路必须减至最低,而在RJ45连接器和保护器之间的通路长度也减至最低。

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