系統(tǒng)級(jí) ESD 電路保護(hù)設(shè)計(jì)考慮因素

引言

隨著技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)電子設(shè)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(jī)觸摸技術(shù)的應(yīng)用，讓我們能夠與這些設(shè)備進(jìn)行更多的互動(dòng)。它構(gòu)成了一個(gè)完整的靜電放電 (ESD) 危險(xiǎn)環(huán)境，即人體皮膚對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的靜電放電。例如，在使用消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備時(shí)，在用戶(hù)手指和平板電腦 USB 或者 HDMI 接口之間會(huì)發(fā)生 ESD，從而對(duì)平板電腦產(chǎn)生不可逆的損壞，例如：峰值待機(jī)電流或者永久性系統(tǒng)失效。

本文將為您解釋系統(tǒng)級(jí) ESD 現(xiàn)象和器件級(jí) ESD 現(xiàn)象之間的差異，并向您介紹一些提供 ESD 事件保護(hù)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方法。

系統(tǒng)級(jí)ESD保護(hù)與器件級(jí)ESD保護(hù)的對(duì)比

IC 的 ESD 損壞可發(fā)生在任何時(shí)候，從裝配到板級(jí)焊接，再到終端用戶(hù)人機(jī)互動(dòng)。ESD 相關(guān)損壞最早可追溯到半導(dǎo)體發(fā)展之初，但在 20 世紀(jì) 70 年代微芯片和薄柵氧化 FET 應(yīng)用于高集成 IC 以后，它才成為一個(gè)普遍的問(wèn)題。所有 IC 都有一些嵌入式器件級(jí) ESD 結(jié)構(gòu)，用于在制造階段保護(hù) IC 免受 ESD 事件的損壞。這些事件可由三個(gè)不同的器件級(jí)模型進(jìn)行模擬：人體模型 (HBM)、機(jī)器模型 (MM) 和帶電器件模型 (CDM)。HBM 用于模擬用戶(hù)操作引起的 ESD 事件，MM 用于模擬自動(dòng)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(cè)試。在這種環(huán)境下，裝配、最終測(cè)試和板級(jí)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(yīng)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(tái)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(jí)模型通常已足夠，但在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中它們卻差得很遠(yuǎn)。在終端用戶(hù)環(huán)境下，電壓和電流的ESD電擊強(qiáng)度要高得多。因此，工業(yè)環(huán)境使用另一種方法進(jìn)行系統(tǒng)級(jí) ESD 測(cè)試，其由 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)定義。器件級(jí) HBM、MM和CDM 測(cè)試的目的都是保證 IC 在制造過(guò)程中不受損壞；IEC 61000-4-2規(guī)定的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試用于模擬現(xiàn)實(shí)世界中的終端用戶(hù)ESD事件。

IEC 規(guī)定了兩種系統(tǒng)級(jí)測(cè)試：接觸放電和非接觸放電。使用接觸放電方法時(shí)，測(cè)試模擬器電極與受測(cè)器件 (DUT) 保持接觸。非接觸放電時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的每種方法的測(cè)試級(jí)別范圍。請(qǐng)注意，兩種方法的每種測(cè)試級(jí)別的放電強(qiáng)度并不相同。我們通常在4級(jí)（每種方法的最高官方標(biāo)稱(chēng)級(jí)別）以上對(duì)應(yīng)力水平進(jìn)行逐級(jí)測(cè)試，直到發(fā)生故障點(diǎn)為止。

表 1 接觸放電和非接觸放電方法的測(cè)試電平

器件級(jí)模型和系統(tǒng)級(jí)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(gè)參數(shù)（電流、上升時(shí)間和電擊次數(shù)）需特別注意：

• 電流差對(duì)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(qiáng)電流可引起結(jié)點(diǎn)損壞和柵氧化損壞，8-kV HBM 保護(hù)芯片（峰值電流5.33A）可能會(huì)因 2-kV IEC 模型電擊（峰值電流 7.5A）而損壞。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不能把 HBM 額定值同 IEC 模型額定值混淆，這一點(diǎn)極為重要。
• 另一個(gè)差異存在于電壓尖峰上升時(shí)間。HBM 的規(guī)定上升時(shí)間為 25ns。IEC 模型脈沖上升時(shí)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(lái)做出響應(yīng)，則在其保護(hù)電路激活以前器件就已被損壞。
• 兩種模型在測(cè)試期間所用的電擊次數(shù)不同。HBM僅要求測(cè)試一次正電擊和一次負(fù)電擊，而 IEC 模型卻要求 10 次正電擊和 10 次負(fù)電擊。可能出現(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(lái)的損壞仍然存在，其會(huì)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(jí)模型的脈沖，IEC 模型的脈沖攜帶了更多的能量。

表 2 器件級(jí)模型與 IEC 系統(tǒng)級(jí)模型比較

圖 1 器件級(jí)和 IEC 模型的 ESD 波形

TVS 如何保護(hù)系統(tǒng)免受 ESD 事件的損害

與 ESD 保護(hù)集成結(jié)構(gòu)不同，IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的模型通常會(huì)使用離散式獨(dú)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(hù)結(jié)構(gòu)，獨(dú)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(jí) TVS 布局

共有兩種 TVS：雙向和單向（參見(jiàn)圖 3）。TI TPD1E10B06 便是一個(gè)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(jí) ESD 保護(hù)。正常工作狀態(tài)下，雙向和單向 TVS 都為一個(gè)開(kāi)路，并在 ESD 事件發(fā)生時(shí)接地。在雙向 TVS 情況下，只要 D1 和 D2 都不進(jìn)入其擊穿區(qū)域，I/O 線路電壓信號(hào)會(huì)在接地電壓上下擺動(dòng)。當(dāng) ESD 電擊（正或者負(fù)）擊中 I/O 線路時(shí)，一個(gè)二極管變?yōu)檎蚱?，而另一個(gè)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(jìn)入其擊穿區(qū)域，則電壓信號(hào)會(huì)在接地電壓以上擺動(dòng)。當(dāng)正ESD電擊擊中I/O線路時(shí)，D1變?yōu)檎蚱?，而Z1 先于 D2 進(jìn)入其擊穿區(qū)域；通過(guò) D1 和 Z1 形成一條接地通路，從而讓 ESD 能量得到耗散。當(dāng)發(fā)生負(fù) ESD 事件時(shí)，D2 變?yōu)檎蚱茫珽SD能量通過(guò) 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(yīng)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?yè)舸﹨^(qū)域更多的電流）。

圖 3 雙向和單向 TVS

系統(tǒng)級(jí) ESD 保護(hù)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(duì)比情況。盡管 TVS 是一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，但是在系統(tǒng)級(jí) ESD 保護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中仍然需要注意幾個(gè)重要的參數(shù)。這些參數(shù)包括擊穿電壓 V_BR、動(dòng)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(hù) I/O 線路的最大工作電壓 V_RWM 為 5V，則在達(dá)到該最大電壓以前 TVS 不應(yīng)進(jìn)入其擊穿區(qū)域。通常，TVS 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)會(huì)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(gè) V_BR（min） 大于受保護(hù) I/O 線路 V_RWM 幾伏的 TVS。

動(dòng)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(shí)間內(nèi)，TVS 傳導(dǎo)接地通路不會(huì)立即建立起來(lái)，并且在通路中存在一定的電阻。這種電阻被稱(chēng)作動(dòng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)值為 1 ? 或者 1 ? 以下。利用傳輸線路脈沖測(cè)量技術(shù)可以得到 R_DYN。使用這種技術(shù)時(shí)，通過(guò) TVS 釋放電壓，然后測(cè)量相應(yīng)的電流。在得到不同電壓的許多數(shù)據(jù)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)，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(guò) TVS 接地來(lái)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(hù)ESD敏感型器件在ESD事件中受到損壞的機(jī)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(hù)”器件卻被損壞了。

電容

在正常工作狀態(tài)下，TVS為一個(gè)開(kāi)路，并具有寄生電容分流接地。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在信號(hào)鏈帶寬預(yù)算中考慮到這種電容。

結(jié)論

由于 IC 工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)變得越來(lái)越小，它也越來(lái)越容易受到 ESD 損壞的影響，不管是在制造過(guò)程還是在終端用戶(hù)使用環(huán)境下。器件級(jí) ESD 保護(hù)并不足以在系統(tǒng)層面為 IC 提供保護(hù)。我們應(yīng)在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)中使用獨(dú)立 TVS。在選擇某個(gè) TVS 時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)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(xiàn)

《系統(tǒng)級(jí)ESD/EMI保護(hù)設(shè)計(jì)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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