高速PCB设计指南之七

文章摘要：蜂窝电话，由其性质所决定，是被人拿着使用的设备。在低温度的日子里，你正在地毯上走来走去，然後拿起蜂窝电话，接着“啪”—这就会把一个高电压，静电放电（ESD）脉冲传到这个设备那里。如果没有适当的ESD保护，一个或多个IC有可能受到损坏。不过，增添外部元件来保护ESD的破坏又会与小型化趋势相违背。另一个问题是能源管理，蜂窝电话用户希望电池的两次充电之间隔愈长愈好。这意味着DC-至-DC转换器必须是很高效率的。开关技术是它的答案，但在此情况下，转换器也成了它自己的潜在噪声源。所以必须小心选择、放置转换器，也要小心进行互连。还有，由於体积是不可忽视的因素，应该选择可

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　　蜂窝电话，由其性质所决定，是被人拿着使用的设备。在低温度的日子里，你正在地毯上走来走去，然後拿起蜂窝电话，接着“啪”—这就会把一个高电压，静电放电（ESD）脉冲传到这个设备那里。如果没有适当的ESD保护，一个或多个IC有可能受到损坏。不过，增添外部元件来保护ESD的破坏又会与小型化趋势相违背。
　　另一个问题是能源管理，蜂窝电话用户希望电池的两次充电之间隔愈长愈好。这意味着DC-至-DC转换器必须是很高效率的。开关技术是它的答案，但在此情况下，转换器也成了它自己的潜在噪声源。所以必须小心选择、放置转换器，也要小心进行互连。还有，由於体积是不可忽视的因素，应该选择可以采用物理尺寸最小的无源元件的那种部件。如果采用线性稳压器的话，应该挑选超低压差式的，可让输出维持於最小电池电压。这就能让电池不再提供足够电能之前尽行地放电。
　　
　　2、“高速化”趋势
　　将1999年中档PC的规格与五年前的相比较，它的中央处理机速度提高了大约一个数量级，而由CPU消耗的电流也提高了约一个数量级。当你将高速度和大电流结合一起，V=L（di/dt）关系式中的“di/dt”部份大幅地提高。事实上，电路板中半寸长的地线可能会感应起超过1伏特的电压於其上。对於转换器来说，地电位参考线会感应电压的话，可能导致运作停止。　　
　　为要达致这些更高的速度，IC在设计和制造上都采用深度次微米尺寸（例如0.35μm）。这虽然缩减了几何尺寸而得到快得多的性能，但也会令这些器件更容易招致锁上（latch-up）及由瞬变引起的损害。而且，这些器件也要求更紧逼的能源管理以符合愈来愈严格的允许电压范围。
　　现时的10／100Ethernet网络介面卡（NIC）就是良好的例子，原来的10Base－T芯片是大尺寸的CMOS器件，对於过电压损坏相对地是不那麽敏感的。然而，新型的芯片采用了0.35μm的线宽，对於锁上以及因瞬变而失效非常敏感—因电能引致和雷电引致的瞬变。
　　现代的服务器，具有SMP（对称多处理能力）的体系结构，以及CPU以500MHz或以上的频率来运作，就是能源分布挑战方面的好例子。你不可以简单地建造一个5V电源并把布线引到相应的总线。以500MHz上限达20A或30A的电流开关，它要求於每个使用点（point-of-use）实际上有独立的转换器，还加上一个更大的一级电压源对这些转换器的全部进行供电。
　　趋势要求具有热交换（hotswap）的能力，意味着你要能做到在现用系统里插入或除下电路板。这样做也是预告会有瞬变产生的。如此一来，无论插入的板抑或主板都必须有适当的保护作用。
　　无论小型化或高速化的趋势都有其独特的问题。例如，大电流能源分布对於小型、便携、手持式设备来说，就不是个大问题。而对於桌面电脑和服务器来说，延长的电池寿命也不会成为问题。不过，锁上和瞬变引致的损坏，在上述两方面都成为问题。
　　
　　3、锁上和瞬变
　　对深度次微米IC从线宽的瞬变恶化了关於过电压状态的敏感性，意味着你要聪明一点，对这些器件进行保护，但同时又不要影响它们的性能。
　　在一个保护输入里，任何保护元件於正常运作下都必须呈现为一个高阻抗电路。它必须加载尽可能小的电容负荷，例如，假定它是对正常输入讯号加入小小效应的话。不过，在过电压的一瞬间，那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於它保护的引脚上的最大允许电压。同理，它的箝位电压要足够低，以防止受保护器件的损坏，这是由於在瞬变情况下，输入上的电压会是保护器件的箝位电压。　　
　　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箝位。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，低的箝位电压，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－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。

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