ESD事件保護(hù)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)方案

1、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)類電子設(shè)備時(shí)，在用戶手指和平板電腦 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。

2、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。

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：

a、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。

b、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。

c、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?？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(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。

3、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。

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?，ESD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）。

4、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 VBR、動(dòng)態(tài)電阻 RDYN、鉗位電壓VCL 和電容。

4.1、擊穿電壓VBR

正確選擇 TVS 的第一步是研究擊穿電壓 (VBR)。

例如，如果受保護(hù) I/O 線路的最大工作電壓 VRWM 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VRWM，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) VBR（min） 大于受保護(hù)I/O 線路 VRWM 幾伏的 TVS。

4.2、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。這種電阻被稱作動(dòng)態(tài)電阻 (RDYN)，如圖 5 所示。

理想情況下，RDYN 應(yīng)為零，這樣 I/O 線路電壓才能盡可能地接近 VBR；但是，這是不可能的事情。

RDYN 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 RDYN。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 RDYN。圖 6 顯示了 TPD1E10B06 的 RDYN，其典型值為 ~0.3 ?。

4.3、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，RDYN 越小，鉗位性能也就越好：

其中，IPP 為 ESD 事件期間的峰值脈沖電流，而 Iparasitic 為通過(guò) TVS 接地來(lái)自連接器的線路寄生電感。
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：VBR、RDYN、VCL 和電容等。

審核編輯：黃飛