係統級ESD設計考慮

1、引言

隨著技術的發展，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（diàn）腦和智（zhì）能手機觸摸技術（shù）的應用，讓我們能夠與這（zhè）些設備進（jìn）行更多的互動。它構成了一個（gè）完整的靜電放電 (ESD) 危（wēi）險環境，即人體（tǐ）皮膚對設備（bèi）產生的靜電放（fàng）電。

例如，在使（shǐ）用消費類電子設備（bèi）時，在用戶手指和（hé）平板電腦（nǎo） USB 或者 HDMI 接口之（zhī）間會發生 ESD，從而對平板電腦產生不可逆的損壞，例如（rú）：峰值待機電流或者永（）久性係統失效。

本文將（jiāng）為您解釋係統級 ESD 現象和器件級 ESD 現象之間的差異（yì），並向您介紹一些提供 ESD 事件保護的係統級設計（jì）方法（fǎ）。

2、係（xì）統級ESD保護與器件級ESD保（bǎo）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（zhuī）溯到半導體發展之（zhī）初（chū），但在 20 世紀 70 年代微芯片和薄柵氧化 FET 應用於高集成 IC 以後，它才成為一個普遍的問題。

所（suǒ）有 IC 都（dōu）有（yǒu）一些嵌入式器件級 ESD 結構，用於在製（zhì）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（jìn）行模擬：人體模型 (HBM)、機器模型 (MM) 和帶電器件模型(CDM)。

HBM 用於模擬用戶（hù）操作引起的 ESD 事件，MM 用於模擬自動操作引起的 ESD 事件，而 CDM則模（mó）擬產品充電/放（fàng）電所引起的 ESD 事件。這些模型都用（yòng）於製造環境下的測試。在這種環境下，裝配、最終測試和板級焊接工作均在受（shòu）控 ESD 環境（jìng）下完（wán）成，從而減小（xiǎo）暴（bào）露器件所承受的 ESD 應力。在製造環境下，IC 一般（bān）僅能承受 2-kV HBM 的 ESD 電擊，而（ér）最近出（chū）台的小型器件靜電規（guī）定更是低至 500V。

盡管在（zài）廠房受控 ESD 環境（jìng）下器件級模型通常已足夠，但在係統級測試中它們卻差（chà）得很遠。在終端用戶環境下，電壓（yā）和電流的ESD電擊強度要高得多（duō）。

因此，工業環境使用另一種方（fāng）法（fǎ）進行係統級 ESD 測試，其由IEC 61000-4-2 標準定義。器件級 HBM、MM和CDM 測（cè）試（shì）的目的（de）都是保證 IC 在（zài）製造過程中不受損壞；IEC 61000-4-2規定的係統級測試用於模擬現實世（shì）界中的終端（duān）用戶（hù）ESD事（shì）件。

IEC 規定了兩種係統級測試（shì）：接觸放電和非接（jiē）觸放（fàng）電。使用接觸放電方法時，測試模擬器電極（jí）與受測器件(DUT) 保持接觸。非接觸放電時，模擬器的帶（dài）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 標準規定的每種方法的測試級別範圍。請注意，兩種方法的每種測試級別的放電強度並不相同。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，直到發生（shēng）故障點為止。

3、TVS 如何保護係（xì）統免受 ESD 事件的損害

與 ESD 保護集（jí）成結構不同，IEC 61000-4-2 標準規定（dìng）的模型通常會使用離散式獨立瞬（shùn）態電壓抑製（zhì）二極管，也（yě）即（jí）瞬態（tài）電壓抑製器 (TVS)。相比（bǐ）電源管理（lǐ）或者微控製（zhì）器（qì）單元中集成的 ESD 保護結（jié）構，獨立 TVS 成本更低，並且可以靠（kào）近係統 I/O 連接器放置，如圖 2 所示。

共有兩種 TVS：雙向和（hé）單向（參見圖 3）。TI TPD1E10B06 便是（shì）一個雙（shuāng）向 TVS例子，它可以放置（zhì）在一條通用（yòng）數據線路上，用於（yú）係統級 ESD 保護。

正常工作狀態下，雙向和單向 TVS 都為一個（gè）開路（lù），並在 ESD 事件發生時接地。在雙向 TVS 情（qíng）況下，隻要 D1 和 D2 都不進（jìn）入其擊穿區域，I/O 線路電壓（yā）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（biàn）為正向偏置，而另一個擊穿，從而形成一（yī）條通路（lù），ESD 能量立即沿這條通路接（jiē）地。在單向 TVS 情況下（xià），隻要 D2 和 Z1 都不進入其擊穿區域，則電壓信號會在接地電壓以上擺動。

當（dāng）正ESD電擊（jī）擊中I/O線路時（shí），D1變為正向偏置（zhì），而Z1 先於 D2進入（rù）其擊穿區域；通過 D1 和 Z1 形成一條接地通（tōng）路，從而讓 ESD 能量得到耗散。

當發生負 ESD 事（shì）件時，D2 變為正（zhèng）向（xiàng）偏置（zhì），ESD能量通過（guò） D2接地通路得到耗散。由於 D1 和 D2 尺寸可以更（gèng）小、寄生電容更少，單向二極管（guǎn）可用於許多高速應用；D1 和 D2 可（kě）以“隱藏"更大的齊納二極管 Z1（大尺寸的原因是處理（lǐ）擊穿區域更（gèng）多的電流）。

4、係統級 ESD 保護的關鍵（jiàn）器件參數

圖 4 顯示了 TVS 二（èr）極管電流與電壓特性的對比情況。盡管 TVS 是一種簡單的結構，但是在係統級 ESD 保護（hù）設計過程中仍然需要注意（yì）幾（jǐ）個（gè）重要的參數。

這些參數包括擊（jī）穿電壓 VBR、動態電阻（zǔ） RDYN、鉗（qián）位電（diàn）壓VCL 和電容。

4.1、擊穿電壓VBR

正（zhèng）確選擇 TVS 的第一步是（shì）研究擊穿電壓 (VBR)。

例如，如果受保護 I/O 線路（lù）的最大工作電（diàn）壓 VRWM 為5V，則在達（dá）到該（gāi）最大電壓以前 TVS 不應（yīng）進入（rù）其擊穿區域。通常，TVS 產品說明書會包括具體漏電流的VRWM，它讓我（wǒ）們能夠更加容易地選擇正確的 TVS。否則（zé），我們（men）可以選擇一個（gè） VBR（min） 大於受保護I/O 線路 VRWM 幾伏的 TVS。

4.2、動態電（diàn）阻

ESD 是一種極速事件，也就是幾納秒的事情。在（zài）如此短的時間內，TVS 傳（chuán）導接地通路不會立（lì）即建立起來，並且在通（tōng）路中存在一定的電阻。這（zhè）種電（diàn）阻被稱作動態電阻 (RDYN)，如圖 5 所示。

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

RDYN 的最新工業標（biāo）準值為 1 Ω 或者 1 Ω 以下。利用傳輸線路脈衝測量技術可以得到 RDYN。使用這種技術時，通過 TVS 釋放電壓，然後測量相應的電流。在得到不同電壓的（de）許多數據點以後，便可以繪製出如圖（tú）6一樣的 IV 曲線（xiàn），而斜線便為 RDYN。圖 6 顯示了 TPD1E10B06 的 RDYN，其典型值為 ~0.3 Ω。

4.3、鉗位電壓

由於ESD是一種極速瞬態事件，I/O 線路的電壓不（bú）能立即得到箝製。如圖 7 所示，根據 IEC 61000-4-2 標準，數千伏電壓（yā）被箝製為數十伏。

如方（fāng）程式 1 所示，RDYN 越小，鉗位性（xìng）能也就越好：

其中，IPP 為 ESD 事件期間的峰值脈衝電（diàn）流，而（ér） Iparasitic 為通過 TVS 接地來（lái）自連接器的線路寄生電感。

把鉗位電壓波形下麵的區域想像成能（néng）量。鉗位性能越好，受保護ESD敏感型器件在ESD事件中受（shòu）到損壞的機率也就越小。由於鉗位電壓很小，一些（xiē）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（huài）了。

電容

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

結論

由於 IC 工藝技術節點變得越來越（yuè）小，它也越來越（yuè）容易受到 ESD 損壞的影響，不管是在製造過程還是在終端用戶使用環境下。器件級 ESD 保護並不足以在係（xì）統層麵為 IC 提供保護。我（wǒ）們應在係統級設計中使（shǐ）用獨（dú）立 TVS。在選（xuǎn）擇某個（gè） TVS 時（shí），設（shè）計人員應注意一些重（chóng）要參數，例如：VBR、RDYN、VCL 和電容等。