要做一些有用的事情，必須將微控制器（MCU）連接到其他設備。此連接通過輸入/輸出（I/O）引腳進行。現在更多的時候，引腳是多功能的，可以連接到A/D，D/A，線性功能（如運算放大器和比較器），電壓基準等等。因此，對于設計工程師而言，保護這些I/O免受潛在的破壞性靜電和其他類似威脅至關重要。

在為MCU建立適當保護時，工程師們發現他們所依賴的特性多年來突然變得不那么有效，他們被迫重新審視過去的問題。為什么？原則上，由于市場壓力降低了產品成本，半導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合，使芯片尺寸更小。因此，實現必要的瞬態抗擾度保護以防止由于電源和信號線瞬變引起的故障變得越來越困難。

當幾何尺寸和IC特征尺寸較大時，I/O焊盤有很多肉類駕駛員的區域和良好的防止ESD損害的保護。在努力提高產量的過程中，使用較小的模具和墊片，僅僅就其本質而言，它們不太能夠擊打以保護微型元件。根據經驗，靜電電荷將始終通過盡可能短的路徑，精細的微I/O線會導致更多靜電放電通過。

本文著眼于不同級別的MCU對電快速瞬變（EFT），靜電放電（ESD）和其他短時間事件的抗擾性，并提出了實用的硬件和設計技術，可以提供保護微控制器I/O線的經濟有效的方法。

免疫性能

可以將瞬態威脅分為三大類：靜電放電（ESD），電快速瞬變（EFT）和浪涌瞬變。為確保電路對這些瞬變的穩健性，國際電工委員會（IEC）在其IEC61000-4系列電磁兼容性（EMC）標準中規定了一系列瞬態抗擾度測試：IEC61000-4-2涵蓋了ESD抗擾度（適用于手持設備） IEC61000-4-4用于EFT抗擾度和IEC61000-4-5處理浪涌抗擾度（雷電和工業浪涌）。

集成電路的抗擾度性能如同便攜式電話和計算機等設備一樣。進一步分為IEC文件（IEC 62132-1）中規定的四類中的一類。1A類性能定義為瞬態應用期間規范限值內的正常性能。 B類性能是暫時性降低或功能或性能損失，在瞬態消除后可自行恢復。 C類性能定義為臨時性降級或功能或性能損失，需要在移除瞬態后進行操作員干預或系統復位。 D類性能是由于數據損壞或丟失而無法恢復的永久性降級或功能喪失。

各種標準組織已使用標準化測試和監測分析了瞬態電壓事件，并就多個級別的保護達成了一致意見需要根據條件的特點（表1）。考慮到用于這些應用的驅動器，I/O晶體管和半導體類型的特性和限制（表2）。

電壓電流上升時間持續時間照明25 kV 20 kA10μs1ms開關600 V 500 A50μs500ms EMP 1 kV 10 A 20 ns 1 ms ESD 15 kV 30 A 《1 ns 100 ns

表1：幾種瞬態類型的主要特性。

器件類型漏洞（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，IC封裝，印刷電路板（PCB），MCU上運行的軟件以及ESD特性的影響或EFT活動。

像TMS320F28035PAGT這樣的德州儀器微控制器將符合IEC標準，但仍然會受到大量沖擊的影響，尤其是在連接SD/MMC卡，USB，IEE1394和千兆以太網等應用的電纜和連接器時。

汽車應用也可以引入高壓放電。飛思卡爾半導體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展過程中進行的廣泛測試和故障分析。他們將電氣過應力（EOS）的兩種失效機制隔離，作為施加在引腳上的總能量的函數。在一種情況下，鍵合線可以熔合，如果鍵合線可以將電荷傳遞到內部I/O焊盤，則可以進行熔絲管金屬化（圖1）。

圖1：如果允許通過，即使有內部保護，只需1 A即可導致芯線熔斷和基板金屬化。

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

對于STM8S 8位MCU系列，ST在產品特性描述期間以樣品為基礎進行磁敏度測試。對于功能性EMS，在執行簡單應用程序（通過I/O端口切換兩個LED）時，產品會受到兩個電磁事件的壓力，直到發生故障（由LED指示）。對于ESD，靜電放電（正極和負極）施加在器件的所有引腳上，直到發生功能性干擾。該測試符合IEC 61000-4-2標準。對于FTB，通過100 pF電容將一連串快速瞬態電壓（正和負）施加到VDD和VSS，直到發生功能性干擾。該測試也符合IEC 61000-4-4標準。

器件復位允許恢復正常操作。測試結果基于應用筆記AN1709中定義的EMS級別和類別。

所有MCU供應商都使用精心設計的做法來降低其產品對ESD事件的敏感性。但是，正如Microchip Technology在應用筆記AN595中所述，3保護電平因引腳而異，反映了每個引腳的不同功能。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。這是由于不同的設計和布局考慮因素降低了ESD保護的有效性。

因此，具有高EMC抑制性的IC減少了對外部元件的需求，因此通常采用片上IEC-ESD保護適用于實驗室和便攜式設備，這些設備很可能因人體接觸連接器和電纜而出現放電事件，但對于工業環境中發生的EFT和浪涌瞬變可能不夠。因此，穩健可靠的設計可能需要外部瞬態保護裝置。

保護解決方案

保護非常短時間內極高瞬態的最古老但最有效的技術之一是限制高壓條件下的浪涌電流。雖然較小的焊盤無法在物理上處理較大焊盤所能達到的電流密度，但它們可以在不損壞的范圍內可靠地分流功率。外部無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系統具有災難性的I/O焊盤故障模式，可以使用22Ω的短路串聯電阻，以限制電源電流。在許多非高速應用的正常操作期間，串聯電阻不會影響性能。在短路故障期間，當暴露于電源短路時，?W22Ω電阻將電流限制在150 mA。這仍然是一個系統故障，但不太可能著火。

系列鐵氧體也可用于抑制瞬時電流突發，它們可以帶來衰減高頻EMI和RFI的額外好處。但請注意，因為這些“電感性”部件會在某些條件下引入尖峰。

這些無源低成本解決方案對于VCC故障和相當低的電壓但可能是高電流故障非常有效。然而，高壓尖峰可以并且確實會造成嚴重破壞。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的瞬時電流。這里的并聯電容也可以通過將其分流遠離微型I/O線來限制浪涌電流（圖2）。

圖2：被動R/C時間常數可用于限制較高級別的峰值，直到較慢響應的抑制器可以參與。請注意，耗散的能量是相同的（曲線下面積）。

請記住，靜電放電通常是非常快的事件。結果，電容器不必存儲大量電荷。事實上，你不需要大電容。它會扭曲信號并降低數字性能。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。對于像某些汽車設計這樣可能充滿EMI的環境中的低速信號，這很好。

可以使用無數的分立器件甚至R/C陣列來分接多個可能暴露的I/O線路。這些技術可以與半導體瞬態電壓抑制技術結合使用，這種技術可以非常快速地吸收和分流更高的電平;你想要快速的響應時間。我們的22Ω示例暴露在8 kV電壓下，當接地短路時幾乎會瞬間耗散3 MW的功率。

對于大多數正常環境，靜電不應超過15 kV（但我們當條件恰到好處時，所有人都對高于平時的沖擊感到驚訝。這就是為什么通常需要保護幾條I/O線，即使它們不與外部導體耦合。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。

除通用部件外，還可提供專用設備，如設計，作為用于USB充電器端口保護的TI TPD4S014DSQR，或用于VGA端口保護的供應商TPD7S019-15DBQR。

Tyco還為其TE Connectivity部門提供滿足此需求的部件。 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，請查看SESD0402P1BN-0450-090。該器件具有6 V的反向電壓隔離電平。當暴露于典型的8 kV ESD事件時（圖3），它可以非常快速地達到9 V擊穿，并且在高達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，但在達到峰值之前被切斷。在幾納秒內，浪涌已經穩定，瞬態電荷已經放電。

圖4：在經受ESD事件時，擊穿發生的速度足夠快，可以鉗制在或低于結論

結論

在將數字電路與外界連接時，必須注意保護敏感電子設備。長期以來，工程師一直將其留給微控制器供應商，為I/O線提供固有的保護。雖然它們做得非常好，但越來越多的電子設備更容易受到ESD的影響。

現在芯片尺寸與I/O焊盤相當，我們可能需要外部保護，特別是ESD。幸運的是，如果你知道在哪里尋找，有幾種技術可以提供解決方在大多數情況下，提供必要保護所需的電路小，便宜且易于理解。總體而言，在設計系統時，MCU保護只需要一些預先考慮，以避免在部署系統后出現許多困難。