要做一些有用的事情，必須將微控制器（MCU）連接到其他設(shè)備。此連接通過(guò)輸入/輸出（I/O）引腳進(jìn)行。現(xiàn)在更多的時(shí)候，引腳是多功能的，可以連接到A/D，D/A，線(xiàn)性功能（如運(yùn)算放大器和比較器），電壓基準(zhǔn)等等。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)工程師而言，保護(hù)這些I/O免受潛在的破壞性靜電和其他類(lèi)似威脅至關(guān)重要。

在為MCU建立適當(dāng)保護(hù)時(shí)，工程師們發(fā)現(xiàn)他們所依賴(lài)的特性多年來(lái)突然變得不那么有效，他們被迫重新審視過(guò)去的問(wèn)題。為什么？原則上，由于市場(chǎng)壓力降低了產(chǎn)品成本，半導(dǎo)體制造商將更高的集成度與工藝幾何尺寸的不斷縮小相結(jié)合，使芯片尺寸更小。因此，實(shí)現(xiàn)必要的瞬態(tài)抗擾度保護(hù)以防止由于電源和信號(hào)線(xiàn)瞬變引起的故障變得越來(lái)越困難。

當(dāng)幾何尺寸和IC特征尺寸較大時(shí)，I/O焊盤(pán)有很多肉類(lèi)駕駛員的區(qū)域和良好的防止ESD損害的保護(hù)。在努力提高產(chǎn)量的過(guò)程中，使用較小的模具和墊片，僅僅就其本質(zhì)而言，它們不太能夠擊打以保護(hù)微型元件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，靜電電荷將始終通過(guò)盡可能短的路徑，精細(xì)的微I/O線(xiàn)會(huì)導(dǎo)致更多靜電放電通過(guò)。

本文著眼于不同級(jí)別的MCU對(duì)電快速瞬變（EFT），靜電放電（ESD）和其他短時(shí)間事件的抗擾性，并提出了實(shí)用的硬件和設(shè)計(jì)技術(shù)，可以提供保護(hù)微控制器I/O線(xiàn)的經(jīng)濟(jì)有效的方法。

免疫性能

可以將瞬態(tài)威脅分為三大類(lèi)：靜電放電（ESD），電快速瞬變（EFT）和浪涌瞬變。為確保電路對(duì)這些瞬變的穩(wěn)健性，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在其IEC61000-4系列電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一系列瞬態(tài)抗擾度測(cè)試：IEC61000-4-2涵蓋了ESD抗擾度（適用于手持設(shè)備） IEC61000-4-4用于EFT抗擾度和IEC61000-4-5處理浪涌抗擾度（雷電和工業(yè)浪涌）。

集成電路的抗擾度性能如同便攜式電話(huà)和計(jì)算機(jī)等設(shè)備一樣。進(jìn)一步分為IEC文件（IEC 62132-1）中規(guī)定的四類(lèi)中的一類(lèi)。1A類(lèi)性能定義為瞬態(tài)應(yīng)用期間規(guī)范限值內(nèi)的正常性能。 B類(lèi)性能是暫時(shí)性降低或功能或性能損失，在瞬態(tài)消除后可自行恢復(fù)。 C類(lèi)性能定義為臨時(shí)性降級(jí)或功能或性能損失，需要在移除瞬態(tài)后進(jìn)行操作員干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位。 D類(lèi)性能是由于數(shù)據(jù)損壞或丟失而無(wú)法恢復(fù)的永久性降級(jí)或功能喪失。

各種標(biāo)準(zhǔn)組織已使用標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試和監(jiān)測(cè)分析了瞬態(tài)電壓事件，并就多個(gè)級(jí)別的保護(hù)達(dá)成了一致意見(jiàn)需要根據(jù)條件的特點(diǎn)（表1）。考慮到用于這些應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)器，I/O晶體管和半導(dǎo)體類(lèi)型的特性和限制（表2）。

電壓電流上升時(shí)間持續(xù)時(shí)間照明25 kV 20 kA10μs1ms開(kāi)關(guān)600 V 500 A50μs500ms EMP 1 kV 10 A 20 ns 1 ms ESD 15 kV 30 A 《1 ns 100 ns

表1：幾種瞬態(tài)類(lèi)型的主要特性。

器件類(lèi)型漏洞（伏特） VMOS 30-1800 MOSFET 100-200 GaAsFET 100-300 EPROM 100 JFET 140-7000 CMOS 250-3000肖特基二極管300-2500雙極晶體管380-7000 SCR 680-1000

表2：器件接口技術(shù)磁化率特性。

除其他因素外，受ESD或EFT事件影響的MCU性能受其工藝技術(shù)，IC封裝，印刷電路板（PCB），MCU上運(yùn)行的軟件以及ESD特性的影響或EFT活動(dòng)。

像TMS320F28035PAGT這樣的德州儀器微控制器將符合IEC標(biāo)準(zhǔn)，但仍然會(huì)受到大量沖擊的影響，尤其是在連接SD/MMC卡，USB，IEE1394和千兆以太網(wǎng)等應(yīng)用的電纜和連接器時(shí)。

汽車(chē)應(yīng)用也可以引入高壓放電。飛思卡爾半導(dǎo)體MCU（如MCF5329CVM240）利用該公司及其前身（摩托羅拉）在軍用和航空航天硬化處理器發(fā)展過(guò)程中進(jìn)行的廣泛測(cè)試和故障分析。他們將電氣過(guò)應(yīng)力（EOS）的兩種失效機(jī)制隔離，作為施加在引腳上的總能量的函數(shù)。在一種情況下，鍵合線(xiàn)可以熔合，如果鍵合線(xiàn)可以將電荷傳遞到內(nèi)部I/O焊盤(pán)，則可以進(jìn)行熔絲管金屬化（圖1）。

圖1：如果允許通過(guò)，即使有內(nèi)部保護(hù)，只需1 A即可導(dǎo)致芯線(xiàn)熔斷和基板金屬化。

STMicroelectronics等微控制器制造商使用各種自己的測(cè)試系統(tǒng)（如Fast） Transient Burst ［FTB］測(cè)試儀）用于測(cè)試STM32F429IIT6等MCU，后者具有高性能ARM?32位Cortex?-M4處理主干，可與幾個(gè)對(duì)ESD敏感的外部I/O結(jié)構(gòu)連接。/p》

對(duì)于STM8S 8位MCU系列，ST在產(chǎn)品特性描述期間以樣品為基礎(chǔ)進(jìn)行磁敏度測(cè)試。對(duì)于功能性EMS，在執(zhí)行簡(jiǎn)單應(yīng)用程序（通過(guò)I/O端口切換兩個(gè)LED）時(shí)，產(chǎn)品會(huì)受到兩個(gè)電磁事件的壓力，直到發(fā)生故障（由LED指示）。對(duì)于ESD，靜電放電（正極和負(fù)極）施加在器件的所有引腳上，直到發(fā)生功能性干擾。該測(cè)試符合IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于FTB，通過(guò)100 pF電容將一連串快速瞬態(tài)電壓（正和負(fù)）施加到VDD和VSS，直到發(fā)生功能性干擾。該測(cè)試也符合IEC 61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)。

器件復(fù)位允許恢復(fù)正常操作。測(cè)試結(jié)果基于應(yīng)用筆記AN1709中定義的EMS級(jí)別和類(lèi)別。

所有MCU供應(yīng)商都使用精心設(shè)計(jì)的做法來(lái)降低其產(chǎn)品對(duì)ESD事件的敏感性。但是，正如Microchip Technology在應(yīng)用筆記AN595中所述，3保護(hù)電平因引腳而異，反映了每個(gè)引腳的不同功能。某些類(lèi)型的引腳（特別是電源引腳）比其他引腳更容易受到ESD脈沖引起的閂鎖的影響。這是由于不同的設(shè)計(jì)和布局考慮因素降低了ESD保護(hù)的有效性。

因此，具有高EMC抑制性的IC減少了對(duì)外部元件的需求，因此通常采用片上IEC-ESD保護(hù)適用于實(shí)驗(yàn)室和便攜式設(shè)備，這些設(shè)備很可能因人體接觸連接器和電纜而出現(xiàn)放電事件，但對(duì)于工業(yè)環(huán)境中發(fā)生的EFT和浪涌瞬變可能不夠。因此，穩(wěn)健可靠的設(shè)計(jì)可能需要外部瞬態(tài)保護(hù)裝置。

保護(hù)解決方案

保護(hù)非常短時(shí)間內(nèi)極高瞬態(tài)的最古老但最有效的技術(shù)之一是限制高壓條件下的浪涌電流。雖然較小的焊盤(pán)無(wú)法在物理上處理較大焊盤(pán)所能達(dá)到的電流密度，但它們可以在不損壞的范圍內(nèi)可靠地分流功率。外部無(wú)源器件在此處非常有用，可以衰減和減慢損壞的電平。

典型的3.3 V系統(tǒng)具有災(zāi)難性的I/O焊盤(pán)故障模式，可以使用22Ω的短路串聯(lián)電阻，以限制電源電流。在許多非高速應(yīng)用的正常操作期間，串聯(lián)電阻不會(huì)影響性能。在短路故障期間，當(dāng)暴露于電源短路時(shí)，?W22Ω電阻將電流限制在150 mA。這仍然是一個(gè)系統(tǒng)故障，但不太可能著火。

系列鐵氧體也可用于抑制瞬時(shí)電流突發(fā)，它們可以帶來(lái)衰減高頻EMI和RFI的額外好處。但請(qǐng)注意，因?yàn)檫@些“電感性”部件會(huì)在某些條件下引入尖峰。

這些無(wú)源低成本解決方案對(duì)于VCC故障和相當(dāng)?shù)偷碾妷旱赡苁歉唠娏鞴收戏浅Ｓ行АＨ欢邏杭夥蹇梢圆⑶掖_實(shí)會(huì)造成嚴(yán)重破壞。例如，即使我們的22Ω示例在典型的8 kV靜電放電期間仍將允許363 A的瞬時(shí)電流。這里的并聯(lián)電容也可以通過(guò)將其分流遠(yuǎn)離微型I/O線(xiàn)來(lái)限制浪涌電流（圖2）。

圖2：被動(dòng)R/C時(shí)間常數(shù)可用于限制較高級(jí)別的峰值，直到較慢響應(yīng)的抑制器可以參與。請(qǐng)注意，耗散的能量是相同的（曲線(xiàn)下面積）。

請(qǐng)記住，靜電放電通常是非常快的事件。結(jié)果，電容器不必存儲(chǔ)大量電荷。事實(shí)上，你不需要大電容。它會(huì)扭曲信號(hào)并降低數(shù)字性能。它必須足夠減慢電壓上升速率，以允許電路以更可控的方式吸收能量。對(duì)于像某些汽車(chē)設(shè)計(jì)這樣可能充滿(mǎn)EMI的環(huán)境中的低速信號(hào)，這很好。

可以使用無(wú)數(shù)的分立器件甚至R/C陣列來(lái)分接多個(gè)可能暴露的I/O線(xiàn)路。這些技術(shù)可以與半導(dǎo)體瞬態(tài)電壓抑制技術(shù)結(jié)合使用，這種技術(shù)可以非常快速地吸收和分流更高的電平;你想要快速的響應(yīng)時(shí)間。我們的22Ω示例暴露在8 kV電壓下，當(dāng)接地短路時(shí)幾乎會(huì)瞬間耗散3 MW的功率。

對(duì)于大多數(shù)正常環(huán)境，靜電不應(yīng)超過(guò)15 kV（但我們當(dāng)條件恰到好處時(shí)，所有人都對(duì)高于平時(shí)的沖擊感到驚訝。這就是為什么通常需要保護(hù)幾條I/O線(xiàn)，即使它們不與外部導(dǎo)體耦合。小引腳間距可以讓電弧跳躍。德州儀器（TI）的通用TPD4E001 ESD保護(hù)陣列等多通道ESD器件可以為您提供幫助。 TI TPD4E001DRLR等部件提供30 kV范圍（+15至-15 kV）的雙向保護(hù)。

除通用部件外，還可提供專(zhuān)用設(shè)備，如設(shè)計(jì)，作為用于USB充電器端口保護(hù)的TI TPD4S014DSQR，或用于VGA端口保護(hù)的供應(yīng)商TPD7S019-15DBQR。

Tyco還為其TE Connectivity部門(mén)提供滿(mǎn)足此需求的部件。 TE的硅ESD系列（SESD）尺寸與前幾代相比有所減小，最新的0201尺寸部件具有極低電容（0.6 pF）和可選電壓響應(yīng)范圍的系列元件。單通道，雙通道，四通道和六通道部件有助于縮小空間。

例如，請(qǐng)查看SESD0402P1BN-0450-090。該器件具有6 V的反向電壓隔離電平。當(dāng)暴露于典型的8 kV ESD事件時(shí)（圖3），它可以非常快速地達(dá)到9 V擊穿，并且在高達(dá)2 A的浪涌下非常有效地鉗位在12 V（圖4）

圖3：典型的8 kV ESD事件迅速增加，但在達(dá)到峰值之前被切斷。在幾納秒內(nèi)，浪涌已經(jīng)穩(wěn)定，瞬態(tài)電荷已經(jīng)放電。

圖4：在經(jīng)受ESD事件時(shí)，擊穿發(fā)生的速度足夠快，可以鉗制在或低于結(jié)論

結(jié)論

在將數(shù)字電路與外界連接時(shí)，必須注意保護(hù)敏感電子設(shè)備。長(zhǎng)期以來(lái)，工程師一直將其留給微控制器供應(yīng)商，為I/O線(xiàn)提供固有的保護(hù)。雖然它們做得非常好，但越來(lái)越多的電子設(shè)備更容易受到ESD的影響。

現(xiàn)在芯片尺寸與I/O焊盤(pán)相當(dāng)，我們可能需要外部保護(hù)，特別是ESD。幸運(yùn)的是，如果你知道在哪里尋找，有幾種技術(shù)可以提供解決方在大多數(shù)情況下，提供必要保護(hù)所需的電路小，便宜且易于理解。總體而言，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，MCU保護(hù)只需要一些預(yù)先考慮，以避免在部署系統(tǒng)后出現(xiàn)許多困難。