為了做一些有用的事情，微控制器 (MCU) 必須連接到其他設(shè)備。此連接是通過輸入/輸出 (I/O) 引腳進(jìn)行的。很多時(shí)候，現(xiàn)在的引腳是多功能的，可以連接到 A/D、D/A、線性功能（例如運(yùn)算放大器和比較器）、電壓基準(zhǔn)等。因此，對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來說，保護(hù)這些 I/O 免受潛在的破壞性靜電荷和其他類似威脅非常重要。

在為 MCU 建立適當(dāng)保護(hù)時(shí)，工程師發(fā)現(xiàn)他們多年來依賴的特性突然變得不那么有效，他們不得不重新審視過去的問題。為什么？主要是，由于降低產(chǎn)品成本的市場(chǎng)壓力，半導(dǎo)體制造商將更高的集成度與工藝幾何尺寸的持續(xù)縮小相結(jié)合，使芯片尺寸更小。因此，實(shí)施必要的瞬態(tài)抗擾度保護(hù)以防止由于電源和信號(hào)線上的瞬變引起的故障變得越來越困難。

當(dāng)幾何形狀和 IC 特征尺寸更大時(shí)，I/O 焊盤有很大的面積用于驅(qū)動(dòng)器，并能很好地防止 ESD 引起的損壞。在努力提高良率的過程中，使用了更小的芯片和焊盤，就其性質(zhì)而言，它們不太可能受到撞擊以保護(hù)微器件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，靜電電荷總是會(huì)通過最短的路徑產(chǎn)生電弧，而精密的微型 I/O 線路會(huì)導(dǎo)致更多的靜電放電命中通過。

本文著眼于 MCU 對(duì)電氣快速瞬變 (EFT)、靜電放電 (ESD) 和其他短期事件的不同級(jí)別的抗擾性，并提出了實(shí)用的硬件和設(shè)計(jì)技術(shù)，這些技術(shù)可以提供具有成本效益的方式來保護(hù)微控制器 I/O線。

免疫性能

人們可以將瞬態(tài)威脅分為三種主要類型：靜電放電 (ESD)、電快速瞬態(tài) (EFT) 和浪涌瞬態(tài)。為確保電路對(duì)這些瞬態(tài)的穩(wěn)健性，國際電工委員會(huì) (IEC) 在其 IEC61000-4 系列電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)中指定了一系列瞬態(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 對(duì) EFT 抗擾度的作用相同，IEC61000-4-5 處理浪涌抗擾度（閃電和工業(yè)浪涌）。

集成電路的抗擾度性能進(jìn)一步分為 IEC 文件 ( IEC 62132-1 ) 中規(guī)定的四個(gè)類別之一。1 A 類性能定義為瞬態(tài)應(yīng)用期間在規(guī)范限制內(nèi)的正常性能。B 類性能是暫時(shí)的降級(jí)或功能或性能損失，在瞬態(tài)消除后可自行恢復(fù)。C 類性能定義為在瞬態(tài)消除后需要操作員干預(yù)或系統(tǒng)重置的暫時(shí)性降級(jí)或功能或性能損失。D 類性能是由于數(shù)據(jù)損壞或丟失而無法恢復(fù)的永久性降級(jí)或功能喪失。

各種標(biāo)準(zhǔn)組已經(jīng)使用標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試和監(jiān)測(cè)分析了瞬態(tài)電壓的發(fā)生，并已根據(jù)條件特性就所需的多個(gè)保護(hù)級(jí)別達(dá)成一致（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)體類型的特性和限制（表 2）。

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表 2：設(shè)備接口技術(shù)敏感性特征。

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 或 EFT 事件特性的影響。

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)因大量的充電而受到破壞，尤其是在連接到 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)。

汽車應(yīng)用也可能引入高壓放電。飛思卡爾半導(dǎo)體MCU（例如MCF5329CVM240）利用了公司及其前身（摩托羅拉）在軍事和航空航天強(qiáng)化處理器發(fā)展過程中進(jìn)行的廣泛測(cè)試和故障分析。他們已經(jīng)將電過應(yīng)力 (EOS) 的兩種失效機(jī)制隔離為施加到引腳上的總能量的函數(shù)。在一種情況下，可以熔斷鍵合線，如果鍵合線可以將電荷傳送到內(nèi)部 I/O 焊盤，則可以進(jìn)行熔絲管芯金屬化（圖 1）。

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圖 1：如果允許通過，即使有內(nèi)部保護(hù)，低至 1 A 的電流也會(huì)導(dǎo)致芯片線熔斷和基板金屬化。

像STMicroelectronics這樣的微控制器制造商使用他們自己的各種測(cè)試系統(tǒng)（如快速瞬態(tài)突發(fā) [FTB] 測(cè)試儀）來測(cè)試STM32F429IIT6等 MCU ，它具有高性能 ARM? 32 位 Cortex?-M4 處理主干，可以連接到幾個(gè)可能對(duì) ESD 敏感的外部 I/O 結(jié)構(gòu)。

對(duì)于其STM8S 8 位 MCU 系列，ST 在產(chǎn)品表征期間以樣本為基礎(chǔ)進(jìn)行敏感性測(cè)試。對(duì)于功能性 EMS，在執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序（通過 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（正和負(fù)）施加在器件的所有引腳上，直到發(fā)生功能干擾。該測(cè)試符合 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于 FTB，快速瞬態(tài)電壓（正和負(fù)）通過一個(gè) 100 pF 電容器施加到 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)。

設(shè)備復(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)別和類別。2

所有 MCU 供應(yīng)商都使用謹(jǐn)慎的設(shè)計(jì)實(shí)踐來降低其產(chǎn)品對(duì) ESD 事件的敏感性。然而，正如Microchip Technology在其應(yīng)用筆記 AN595 中所指出的，3保護(hù)級(jí)別因引腳而異，反映了每個(gè)引腳的不同功能。某些類型的引腳（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)和布局考慮降低了 ESD 保護(hù)的有效性。

因此，雖然具有高 EMC 抑制能力的 IC 減少了對(duì)外部元件的需求，但片上 IEC-ESD 保護(hù)通常對(duì)實(shí)驗(yàn)室和便攜式設(shè)備有利，這些設(shè)備很可能因人體接觸連接器和電纜而發(fā)生放電事件，但也可以不足以應(yīng)對(duì)工業(yè)環(huán)境中發(fā)生的 EFT 和浪涌瞬變。因此，穩(wěn)健可靠的設(shè)計(jì)可能需要外部瞬態(tài)保護(hù)器件。

保護(hù)解決方案

防止持續(xù)時(shí)間非常短的非常高瞬變的最古老但仍然最有效的技術(shù)之一是限制高壓條件下的浪涌電流。雖然較小的焊盤在物理上無法處理較大焊盤可以處理的電流密度，但它們可以在其范圍內(nèi)可靠地分流電源而不會(huì)損壞。外部無源在這里可以非常有用地減弱和減緩破壞性水平。

具有災(zāi)難性 I/O 焊盤故障模式且接地短路的典型 3.3 V 系統(tǒng)可以使用 22 Ω 串聯(lián)電阻器來限制電源電流。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)電源短路時(shí)，? W 22 Ω 電阻器會(huì)將電流限制為 150 mA。這仍然是系統(tǒng)故障，但不太可能著火。

串聯(lián)鐵氧體還可用于抑制電流的瞬時(shí)突增，它們還具有衰減高頻 EMI 和 RFI 的額外好處。但是要小心，因?yàn)檫@些“本質(zhì)上是感應(yīng)的”部分會(huì)在某些條件下引入尖峰。

這些無源低成本解決方案對(duì)于 V CC故障和相當(dāng)?shù)偷碾妷旱珴撛诘拇箅娏鞴收戏浅Ｓ行АＨ欢邏杭夥蹇梢远掖_實(shí)會(huì)造成嚴(yán)重破壞。例如，即使是我們的 22 Ω 示例，在典型的 8 kV 靜電放電期間仍允許 363 A 的瞬時(shí)電流。在這里，并聯(lián)電容還可以通過將其從微控制器的 I/O 線分流來限制浪涌電流（圖 2）。

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圖 2：無源 R/C 時(shí)間常數(shù)可用于限制上層尖峰，直到響應(yīng)較慢的抑制器可以接合。請(qǐng)注意，耗散的能量是相同的（曲線下的面積）。

請(qǐng)記住，靜電放電通常是非常快的事件。因此，電容器不必存儲(chǔ)大量電荷。事實(shí)上，您不需要大電容。它會(huì)扭曲信號(hào)并降低數(shù)字性能。它只需將電壓上升速度減慢到足以讓電路以更可控的方式吸收能量即可。這對(duì)于在某些汽車設(shè)計(jì)等可能充滿 EMI 的環(huán)境中的低速信號(hào)來說很好。

無數(shù)分立器件甚至 R/C 陣列都可用于挖掘可能暴露的多條 I/O 線。這些可以與可以快速吸收和分流更高電平的半導(dǎo)體瞬態(tài)電壓抑制技術(shù)結(jié)合使用；您想要快速的響應(yīng)時(shí)間。我們的 22 Ω 示例暴露在 8 kV 的震動(dòng)下，當(dāng)短路到地時(shí)，將消耗幾乎瞬時(shí)的 3 MW 功率。

對(duì)于大多數(shù)正常環(huán)境，靜電荷不應(yīng)超過 15 kV（但當(dāng)條件恰到好處時(shí)，我們都對(duì)比平常更高的沖擊感到驚訝）。這就是為什么經(jīng)常需要保護(hù)多條 I/O 線的原因，即使它們不耦合到外部導(dǎo)體。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 器件可在此提供幫助。TI TPD4E001DRLR等部件可提供 30 kV 范圍（+15 至 –15 kV）的雙向保護(hù)。

除了通用部件外，還提供用于設(shè)計(jì)的專用器件，例如用于 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 還從其TE Con??nectivity部門提供滿足這一需求的零件。TE 的硅 ESD 系列 (SESD) 的尺寸比前幾代產(chǎn)品更小，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)范圍的系列成員。單通道、雙通道、四通道和六角通道部件有助于空間狹小。

例如，查看SESD0402P1BN-0450-090。該器件具有 6 V 的反向電壓隔離水平。當(dāng)暴露于典型的 8 kV ESD 事件（圖 3）時(shí)，它會(huì)非常迅速地達(dá)到 9 V 擊穿電壓，并在高達(dá) 2 A 的浪涌下非常有效地鉗位在 12 V（圖 4） .

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圖 3：典型的 8 kV ESD 事件會(huì)迅速出現(xiàn)尖峰，但在達(dá)到峰值之前被切斷。在納秒內(nèi)，浪涌已經(jīng)穩(wěn)定，瞬態(tài)電荷已經(jīng)放電。

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圖 4：在承受 ESD 事件時(shí)，擊穿發(fā)生的速度足夠快，可以鉗位在或低于額定水平。

結(jié)論

在將數(shù)字電路與外界連接時(shí)，必須小心保護(hù)敏感的電子設(shè)備。長(zhǎng)期以來，工程師一直讓微控制器供應(yīng)商為 I/O 線提供固有保護(hù)。雖然它們做得很好，但電子設(shè)備越來越容易被 ESD 干擾。

既然裸片尺寸與以前的 I/O 焊盤一樣大，我們可能需要外部保護(hù)，尤其是 ESD 保護(hù)。幸運(yùn)的是，如果您知道在哪里尋找，有幾種技術(shù)可以提供解決方案。在大多數(shù)情況下，提供必要保護(hù)所需的電路體積小、價(jià)格便宜且易于理解。總體而言，MCU 保護(hù)只需要在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行一些深思熟慮，以避免系統(tǒng)部署后的諸多困難。