前面讲解过如何防止热插拔烧坏单片机芯片烧坏时发生了什么?为什么总是VDD短路?甚至封装开裂冒烟? 很多网友热烈讨论,其中大家最常用和惯性的经验就是GPIO防护使用TVS。
那么也看到有评论说用了TVS后IO口还是烧坏了,那么今天我们聊聊对于ESD/EOS怎么防护效果最好?TVS如何使用效果最佳呢?
前面视频讲过物理损坏最终一般是热应力损坏,而损坏原因无非是两个:能量过大和介质太薄弱。
1、首先对于能量过大,我们最简单的做法是消耗这个能量,那么最低成本就是电阻,使用电阻限制住能量在通道上的传输,限制最终进入IC内部的能量。
2、对于介质太薄弱,我们可以理解一般CPU、MCU、存储器、逻辑器件这类芯片都是数字芯片,一般采用比较先进的制程工艺,芯片内部的管子尺寸、线宽和厚度都是非常小的,所以这类芯片相对电源、功率器件都是较为薄弱的介质。所以我们需要对干扰和能量在进入芯片前进行泄放。
所以防护手段简单来说两个:堵和疏。那电阻的作用就是堵,TVS的作用就是疏。
那为什么会有加了TVS还是疏不通芯片被烧的情况呢?
其实不是疏不通,而是疏得不够快,疏得不够快的原因可能是TVS放置位置不佳,同时还有一个很多人会忽略的点,就是芯片IO内部一般也有疏通路径(钳位二极管)。
IO口结构上一般都有钳位二极管,通过MOS的寄生二极管实现的,其主要用途是ESD保护用,不过这个ESD主要指HBM等人体放电、空气放电ESD类型,这种ESD特点是电压高但时间快,所以能量是有限的,芯片内部二极管快速动作就可以把能量从VDD、VSS泄放掉。
所以这个图的瞬间过压产生时电流路径,这个内部钳位二极管会和外部TVS分摊疏通路径,让大部分能量还是进入了芯片内部,如果是浪涌能量则内部的ESD电路是无法承受,芯片就容易在有TVS的情况下还是被烧坏。
所以我们可以在TVS路径后添加一个电阻,这样过压产生时,电阻限制了从这个路径上到芯片内部的电流,同时让IO口测的电压在电流经过时低于外部TVS处,TVS也能先于内部开启,发挥出TVS的最大作用。
改善后的外部电路如下,来自红枫派开发板原理图的复位电路接口设计,一定要注意的是路径先经过TVS再经过电阻后连接到GPIO口,欢迎大家购买红枫派开发板一起交流学习。


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