系統(tǒng)級 ESD 電路保護設計考慮因素

引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，移動電子設備已成為我們生活和文化的重要組成部分。平板電腦和智能手機觸摸技術(shù)的應用，讓我們能夠與這些設備進行更多的互動。它構(gòu)成了一個完整的靜電放電 (ESD) 危險環(huán)境，即人體皮膚對設備產(chǎn)生的靜電放電。例如，在使用消費類電子設備時，在用戶手指和平板電腦 USB 或者 HDMI 接口之間會發(fā)生 ESD，從而對平板電腦產(chǎn)生不可逆的損壞，例如：峰值待機電流或者永久性系統(tǒng)失效。

本文將為您解釋系統(tǒng)級 ESD 現(xiàn)象和器件級 ESD 現(xiàn)象之間的差異，并向您介紹一些提供 ESD 事件保護的系統(tǒng)級設計方法。

系統(tǒng)級ESD保護與器件級ESD保護的對比

IC 的 ESD 損壞可發(fā)生在任何時候，從裝配到板級焊接，再到終端用戶人機互動。ESD 相關(guān)損壞最早可追溯到半導體發(fā)展之初，但在 20 世紀 70 年代微芯片和薄柵氧化 FET 應用于高集成 IC 以后，它才成為一個普遍的問題。所有 IC 都有一些嵌入式器件級 ESD 結(jié)構(gòu)，用于在制造階段保護 IC 免受 ESD 事件的損壞。這些事件可由三個不同的器件級模型進行模擬：人體模型 (HBM)、機器模型 (MM) 和帶電器件模型 (CDM)。HBM 用于模擬用戶操作引起的 ESD 事件，MM 用于模擬自動操作引起的 ESD 事件，而 CDM 則模擬產(chǎn)品充電/放電所引起的 ESD 事件。這些模型都用于制造環(huán)境下的測試。在這種環(huán)境下，裝配、最終測試和板級焊接工作均在受控 ESD 環(huán)境下完成，從而減小暴露器件所承受的 ESD 應力。在制造環(huán)境下，IC 一般僅能承受 2-kV HBM 的 ESD 電擊，而最近出臺的小型器件靜電規(guī)定更是低至 500V。

盡管在廠房受控 ESD 環(huán)境下器件級模型通常已足夠，但在系統(tǒng)級測試中它們卻差得很遠。在終端用戶環(huán)境下，電壓和電流的ESD電擊強度要高得多。因此，工業(yè)環(huán)境使用另一種方法進行系統(tǒng)級 ESD 測試，其由 IEC 61000-4-2 標準定義。器件級 HBM、MM和CDM 測試的目的都是保證 IC 在制造過程中不受損壞；IEC 61000-4-2規(guī)定的系統(tǒng)級測試用于模擬現(xiàn)實世界中的終端用戶ESD事件。

IEC 規(guī)定了兩種系統(tǒng)級測試：接觸放電和非接觸放電。使用接觸放電方法時，測試模擬器電極與受測器件 (DUT) 保持接觸。非接觸放電時，模擬器的帶電電極靠近 DUT，同 DUT 之間產(chǎn)生的火花促使放電。

表 1 列出了 IEC 61000-4-2 標準規(guī)定的每種方法的測試級別范圍。請注意，兩種方法的每種測試級別的放電強度并不相同。我們通常在4級（每種方法的最高官方標稱級別）以上對應力水平進行逐級測試，直到發(fā)生故障點為止。

表 1 接觸放電和非接觸放電方法的測試電平

器件級模型和系統(tǒng)級模型有一些明顯的區(qū)別，表 2 列出了這些區(qū)別。表 2 中最后三個參數(shù)（電流、上升時間和電擊次數(shù)）需特別注意：

• 電流差對于 ESD 敏感型器件是否能夠承受一次 ESD 事件至關(guān)重要。由于強電流可引起結(jié)點損壞和柵氧化損壞，8-kV HBM 保護芯片（峰值電流5.33A）可能會因 2-kV IEC 模型電擊（峰值電流 7.5A）而損壞。因此，系統(tǒng)設計人員不能把 HBM 額定值同 IEC 模型額定值混淆，這一點極為重要。
• 另一個差異存在于電壓尖峰上升時間。HBM 的規(guī)定上升時間為 25ns。IEC 模型脈沖上升時間小于 1ns，其在最初 3ns 消耗掉大部分能量。如果 HBM 額定的器件需 25ns 來做出響應，則在其保護電路激活以前器件就已被損壞。
• 兩種模型在測試期間所用的電擊次數(shù)不同。HBM僅要求測試一次正電擊和一次負電擊，而 IEC 模型卻要求 10 次正電擊和 10 次負電擊?？赡艹霈F(xiàn)的情況是，器件能夠承受第一次電擊，但由于初次電擊帶來的損壞仍然存在，其會在后續(xù)電擊中失效。圖 1 顯示了 CDM、HBM 和 IEC 模型的 ESD 波形舉例。很明顯，相比所有器件級模型的脈沖，IEC 模型的脈沖攜帶了更多的能量。

表 2 器件級模型與 IEC 系統(tǒng)級模型比較

圖 1 器件級和 IEC 模型的 ESD 波形

TVS 如何保護系統(tǒng)免受 ESD 事件的損害

與 ESD 保護集成結(jié)構(gòu)不同，IEC 61000-4-2 標準規(guī)定的模型通常會使用離散式獨立瞬態(tài)電壓抑制二極管，也即瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)。相比電源管理或者微控制器單元中集成的 ESD 保護結(jié)構(gòu)，獨立 TVS 成本更低，并且可以靠近系統(tǒng) I/O 連接器放置，如圖 2 所示。

圖 2 系統(tǒng)級 TVS 布局

共有兩種 TVS：雙向和單向（參見圖 3）。TI TPD1E10B06 便是一個雙向 TVS例子，它可以放置在一條通用數(shù)據(jù)線路上，用于系統(tǒng)級 ESD 保護。正常工作狀態(tài)下，雙向和單向 TVS 都為一個開路，并在 ESD 事件發(fā)生時接地。在雙向 TVS 情況下，只要 D1 和 D2 都不進入其擊穿區(qū)域，I/O 線路電壓信號會在接地電壓上下擺動。當 ESD 電擊（正或者負）擊中 I/O 線路時，一個二極管變?yōu)檎蚱?，而另一個擊穿，從而形成一條通路，ESD 能量立即沿這條通路接地。在單向 TVS 情況下，只要 D2 和 Z1 都不進入其擊穿區(qū)域，則電壓信號會在接地電壓以上擺動。當正ESD電擊擊中I/O線路時，D1變?yōu)檎蚱茫鳽1 先于 D2 進入其擊穿區(qū)域；通過 D1 和 Z1 形成一條接地通路，從而讓 ESD 能量得到耗散。當發(fā)生負 ESD 事件時，D2 變?yōu)檎蚱茫珽SD能量通過 D2接地通路得到耗散。由于 D1 和 D2 尺寸可以更小、寄生電容更少，單向二極管可用于許多高速應用；D1 和 D2 可以“隱藏”更大的齊納二極管 Z1（大尺寸的原因是處理擊穿區(qū)域更多的電流）。

圖 3 雙向和單向 TVS

系統(tǒng)級 ESD 保護的關(guān)鍵器件參數(shù)

圖 4 顯示了 TVS 二極管電流與電壓特性的對比情況。盡管 TVS 是一種簡單的結(jié)構(gòu)，但是在系統(tǒng)級 ESD 保護設計過程中仍然需要注意幾個重要的參數(shù)。這些參數(shù)包括擊穿電壓 V_BR、動態(tài)電阻 R_DYN、鉗位電壓 V_CL 和電容。

圖 4 TVS 二極管電流與電壓的關(guān)系

擊穿電壓

正確選擇 TVS 的第一步是研究擊穿電壓 (V_BR)。例如，如果受保護 I/O 線路的最大工作電壓 V_RWM 為 5V，則在達到該最大電壓以前 TVS 不應進入其擊穿區(qū)域。通常，TVS 產(chǎn)品說明書會包括具體漏電流的 V_RWM，它讓我們能夠更加容易地選擇正確的 TVS。否則，我們可以選擇一個 V_BR（min） 大于受保護 I/O 線路 V_RWM 幾伏的 TVS。

動態(tài)電阻

ESD 是一種極速事件，也就是幾納秒的事情。在如此短的時間內(nèi)，TVS 傳導接地通路不會立即建立起來，并且在通路中存在一定的電阻。這種電阻被稱作動態(tài)電阻 (R_DYN)，如圖 5 所示。

圖 5 ESD 電流放電通路

理想情況下，R_DYN 應為零，這樣 I/O 線路電壓才能盡可能地接近 V_BR；但是，這是不可能的事情。R_DYN 的最新工業(yè)標準值為 1 ? 或者 1 ? 以下。利用傳輸線路脈沖測量技術(shù)可以得到 R_DYN。使用這種技術(shù)時，通過 TVS 釋放電壓，然后測量相應的電流。在得到不同電壓的許多數(shù)據(jù)點以后，便可以繪制出如圖6一樣的 IV 曲線，而斜線便為 R_DYN。圖 6 顯示了 TPD1E10B06 的 R_DYN，其典型值為 ~0.3 ?。

圖 6 TPD1E10B06 的 IV 特性

鉗位電壓

由于ESD是一種極速瞬態(tài)事件，I/O 線路的電壓不能立即得到箝制。如圖 7 所示，根據(jù) IEC 61000-4-2 標準，數(shù)千伏電壓被箝制為數(shù)十伏。如方程式 1 所示，R_DYN 越小，鉗位性能也就越好：

其中，I_PP 為 ESD 事件期間的峰值脈沖電流，而 I_parasitic 為通過 TVS 接地來自連接器的線路寄生電感。

圖 7 8Kv 接觸放電的 ESD 事件鉗位

把鉗位電壓波形下面的區(qū)域想像成能量。鉗位性能越好，受保護ESD敏感型器件在ESD事件中受到損壞的機率也就越小。由于鉗位電壓很小，一些TVS可承受IEC模型的8kV接觸式放電，但是“受保護”器件卻被損壞了。

電容

在正常工作狀態(tài)下，TVS為一個開路，并具有寄生電容分流接地。設計人員應在信號鏈帶寬預算中考慮到這種電容。

結(jié)論

由于 IC 工藝技術(shù)節(jié)點變得越來越小，它也越來越容易受到 ESD 損壞的影響，不管是在制造過程還是在終端用戶使用環(huán)境下。器件級 ESD 保護并不足以在系統(tǒng)層面為 IC 提供保護。我們應在系統(tǒng)級設計中使用獨立 TVS。在選擇某個 TVS 時，設計人員應注意一些重要參數(shù)，例如：V_BR、R_DYN、V_CL 和電容等。

參考文獻

《系統(tǒng)級ESD/EMI保護設計指南》 www.ti.com/lit/SSZB130B

相關(guān)網(wǎng)站

ESD解決方案：http://www.ti.com.cn/product/cn/TPD1E10B06

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