為了做一些有用的事情，微控制器 (MCU) 必須連接到其他設備。此連接是通過輸入/輸出 (I/O) 引腳進行的。很多時候，現在的引腳是多功能的，可以連接到 A/D、D/A、線性功能（例如運算放大器和比較器）、電壓基準等。因此，對于設計工程師來說，保護這些 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 建立適當保護時，工程師發現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，由于降低產品成本的市場壓力，半導體制造商將更高的集成度與工藝幾何尺寸的持續縮小相結合，使芯片尺寸更小。因此，實施必要的瞬態抗擾度保護以防止由于電源和信號線上的瞬變引起的故障變得越來越困難。

當幾何形狀和 IC 特征尺寸更大時，I/O 焊盤有很大的面積用于驅動器，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，就其性質而言，它們不太可能受到撞擊以保護微器件。根據經驗，靜電電荷總是會通過最短的路徑產生電弧，而精密的微型 I/O 線路會導致更多的靜電放電命中通過。

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

免疫性能

人們可以將瞬態威脅分為三種主要類型：靜電放電 (ESD)、電快速瞬態 (EFT) 和浪涌瞬態。為確保電路對這些瞬態的穩健性，國際電工委員會 (IEC) 在其 IEC61000-4 系列電磁兼容性 (EMC) 標準中指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 對 EFT 抗擾度的作用相同，IEC61000-4-5 處理浪涌抗擾度（閃電和工業浪涌）。

集成電路的抗擾度性能進一步分為 IEC 文件 ( IEC 62132-1 ) 中規定的四個類別之一。1 A 類性能定義為瞬態應用期間在規范限制內的正常性能。B 類性能是暫時的降級或功能或性能損失，在瞬態消除后可自行恢復。C 類性能定義為在瞬態消除后需要操作員干預或系統重置的暫時性降級或功能或性能損失。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。

各種標準組已經使用標準化測試和監測分析了瞬態電壓的發生，并已根據條件特性就所需的多個保護級別達成一致（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）。

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表 2：設備接口技術敏感性特征。

除其他因素外，受 ESD 或 EFT 事件影響的 MCU 性能受其工藝技術、IC 封裝、印刷電路板 (PCB)、MCU 上運行的軟件以及 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 標準，但仍然會因大量的充電而受到破壞，尤其是在連接到 SD/MMC 卡、USB、IEE1394 和千兆以太網等應用的電纜和連接器時。

汽車應用也可能引入高壓放電。飛思卡爾半導體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化處理器發展過程中進行的廣泛測試和故障分析。他們已經將電過應力 (EOS) 的兩種失效機制隔離為施加到引腳上的總能量的函數。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部 I/O 焊盤，則可以進行熔絲管芯金屬化（圖 1）。

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圖 1：如果允許通過，即使有內部保護，低至 1 A 的電流也會導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試系統（如快速瞬態突發 [FTB] 測試儀）來測試STM32F429IIT6等 MCU ，它具有高性能 ARM? 32 位 Cortex?-M4 處理主干，可以連接到幾個可能對 ESD 敏感的外部 I/O 結構。

對于其STM8S 8 位 MCU 系列，ST 在產品表征期間以樣本為基礎進行敏感性測試。對于功能性 EMS，在執行一個簡單的應用程序（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（正和負）施加在器件的所有引腳上，直到發生功能干擾。該測試符合 IEC 61000-4-2 標準。對于 FTB，快速瞬態電壓（正和負）通過一個 100 pF 電容器施加到 VDD 和 VSS，直到發生功能性干擾。該測試也符合 IEC 61000-4-4 標準。

設備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。2

所有 MCU 供應商都使用謹慎的設計實踐來降低其產品對 ESD 事件的敏感性。然而，正如Microchip Technology在其應用筆記 AN595 中所指出的，3保護級別因引腳而異，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降低了 ESD 保護的有效性。

因此，雖然具有高 EMC 抑制能力的 IC 減少了對外部元件的需求，但片上 IEC-ESD 保護通常對實驗室和便攜式設備有利，這些設備很可能因人體接觸連接器和電纜而發生放電事件，但也可以不足以應對工業環境中發生的 EFT 和浪涌瞬變。因此，穩健可靠的設計可能需要外部瞬態保護器件。

保護解決方案

防止持續時間非常短的非常高瞬變的最古老但仍然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可靠地分流電源而不會損壞。外部無源在這里可以非常有用地減弱和減緩破壞性水平。

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

串聯鐵氧體還可用于抑制電流的瞬時突增，它們還具有衰減高頻 EMI 和 RFI 的額外好處。但是要小心，因為這些“本質上是感應的”部分會在某些條件下引入尖峰。

這些無源低成本解決方案對于 V CC故障和相當低的電壓但潛在的大電流故障非常有效。然而，高壓尖峰可以而且確實會造成嚴重破壞。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 的瞬時電流。在這里，并聯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 時間常數可用于限制上層尖峰，直到響應較慢的抑制器可以接合。請注意，耗散的能量是相同的（曲線下的面積）。

請記住，靜電放電通常是非常快的事件。因此，電容器不必存儲大量電荷。事實上，您不需要大電容。它會扭曲信號并降低數字性能。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。這對于在某些汽車設計等可能充滿 EMI 的環境中的低速信號來說很好。

無數分立器件甚至 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體瞬態電壓抑制技術結合使用；您想要快速的響應時間。我們的 22 Ω 示例暴露在 8 kV 的震動下，當短路到地時，將消耗幾乎瞬時的 3 MW 功率。

對于大多數正常環境，靜電荷不應超過 15 kV（但當條件恰到好處時，我們都對比平常更高的沖擊感到驚訝）。這就是為什么經常需要保護多條 I/O 線的原因，即使它們不耦合到外部導體。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。

除了通用部件外，還提供用于設計的專用器件，例如用于 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。當暴露于典型的 8 kV ESD 事件（圖 3）時，它會非常迅速地達到 9 V 擊穿電壓，并在高達 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 事件會迅速出現尖峰，但在達到峰值之前被切斷。在納秒內，浪涌已經穩定，瞬態電荷已經放電。

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

結論

在將數字電路與外界連接時，必須小心保護敏感的電子設備。長期以來，工程師一直讓微控制器供應商為 I/O 線提供固有保護。雖然它們做得很好，但電子設備越來越容易被 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，尤其是 ESD 保護。幸運的是，如果您知道在哪里尋找，有幾種技術可以提供解決方案。在大多數情況下，提供必要保護所需的電路體積小、價格便宜且易于理解。總體而言，MCU 保護只需要在設計系統時進行一些深思熟慮，以避免系統部署后的諸多困難。