係統級ESD設計（jì）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（wén）化的重要組成部（bù）分。平板電（diàn）腦和智能手（shǒu）機觸摸技術的應用，讓我們能夠與這些設備進行更多的互動。它構成了一個完（wán）整的靜電（diàn）放電（diàn） (ESD) 危險（xiǎn）環境，即人體皮膚對設備產生的靜電（diàn）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 接口之間會發生 ESD，從而對平板電腦產生不可逆的損壞，例如：峰值待（dài）機電流或者永（）久性係統失效。

本文將為您（nín）解釋係統（tǒng）級 ESD 現象和器件級 ESD 現象之間的差異，並向您介紹一些提供 ESD 事件保護的係（xì）統級設計方法。

2、係統級ESD保護與（yǔ）器件級（jí）ESD保護的對比

IC 的 ESD 損（sǔn）壞可（kě）發生在任何時候，從裝配到板級焊接，再到終端用戶人機互動（dòng）。ESD 相關損壞最（zuì）早可追溯到半導體發展之初，但在 20 世紀 70 年代微芯片（piàn）和薄柵氧化 FET 應用於高集成（chéng） IC 以後，它才成為一個普遍的問題。

所有 IC 都（dōu）有一些嵌入式器件（jiàn）級 ESD 結構，用於在製造階段保護 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（xíng） (HBM)、機（jī）器（qì）模型 (MM) 和帶電器件模型(CDM)。

HBM 用於模擬用戶操作引起的 ESD 事件，MM 用（yòng）於模擬自動操作引起的 ESD 事件，而 CDM則模（mó）擬產品充電/放電所引起的 ESD 事件。這些模型都用（yòng）於製造環境下（xià）的測試。在這種環境下，裝配、最終測試和板級焊接（jiē）工作均在受控 ESD 環（huán）境下（xià）完成，從而減小暴露器件所承（chéng）受的（de） ESD 應（yīng）力。在（zài）製造環境下，IC 一般僅能承受 2-kV HBM 的 ESD 電（diàn）擊，而最近（jìn）出台的小型器件靜電規定更是低至 500V。

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

因此（cǐ），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 測試的（de）目（mù）的都是保證（zhèng） IC 在製造過程中不受（shòu）損壞；IEC 61000-4-2規定的係統級測試用於（yú）模擬現實世界中的（de）終端用（yòng）戶ESD事件。

IEC 規定（dìng）了兩種係統級測試：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（chí）接觸（chù）。非接觸放電時，模擬（nǐ）器的帶電電（diàn）極靠近 DUT，同 DUT 之間產生的火花促使放電。

表 1 列出了 IEC 61000-4-2 標準規定（dìng）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（diàn）強（qiáng）度並不相同。我們通常在4級（每種方（fāng）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（dào）發生故障點為止。

3、TVS 如何保護係（xì）統（tǒng）免受 ESD 事（shì）件的損（sǔn）害（hài）

與 ESD 保護集成結（jié）構不同，IEC 61000-4-2 標準規定的模型通（tōng）常會使用離散式獨立瞬態電壓抑製二極管，也即（jí）瞬態電壓抑製器 (TVS)。相比電（diàn）源管理或者微控製器單元中集成的 ESD 保護結構，獨立 TVS 成本更低，並且可以靠近係統 I/O 連（lián）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（fàng）置在一（yī）條通（tōng）用（yòng）數據線路上，用於係統級（jí） ESD 保護（hù）。

正（zhèng）常工作狀態下（xià），雙（shuāng）向和單向 TVS 都為一個開路，並在 ESD 事（shì）件發生時（shí）接地。在雙向 TVS 情況（kuàng）下，隻要 D1 和 D2 都不進（jìn）入其擊穿區域，I/O 線路電壓信號會（huì）在接地電壓上（shàng）下擺動。

當 ESD 電擊（正（zhèng）或者負）擊中 I/O 線（xiàn）路時，一個（gè）二（èr）極管變為正向偏置，而另一個擊（jī）穿，從而（ér）形成一條通路，ESD 能量立（lì）即沿（yán）這條通路接地。在單向 TVS 情況下，隻要 D2 和 Z1 都不進入其擊穿區域（yù），則電壓信號會在接地電（diàn）壓以上擺動。

當正ESD電擊擊中I/O線路時，D1變為正向偏置，而Z1 先於 D2進入其擊穿區域；通過 D1 和（hé） Z1 形成一條（tiáo）接地（dì）通路，從而讓 ESD 能量得到耗散。

當發生負 ESD 事件時，D2 變為（wéi）正向偏置（zhì），ESD能量通過 D2接地通路得到耗散。由於 D1 和 D2 尺寸可以（yǐ）更小、寄生電容更少（shǎo），單向二極管可（kě）用於許多高速應用（yòng）；D1 和 D2 可以（yǐ）“隱藏"更大（dà）的齊納二極管 Z1（大尺寸的原因是處理擊穿（chuān）區域更（gèng）多的電流（liú））。

4、係統級 ESD 保護的關（guān）鍵器件參數

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（de）結構，但是（shì）在係（xì）統級 ESD 保護設計過程中仍然需（xū）要注（zhù）意幾個重要（yào）的參（cān）數。

這（zhè）些參數包括擊穿電壓 VBR、動態電阻 RDYN、鉗位電壓VCL 和電容（róng）。

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 I/O 線路的最大工作電壓 VRWM 為（wéi）5V，則在達到該最大電壓以前 TVS 不應進入其擊穿區域。通常，TVS 產（chǎn）品說明書會包（bāo）括（kuò）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（fǒu）則，我們（men）可以（yǐ）選擇一個 VBR（min） 大於受保護I/O 線路 VRWM 幾伏的 TVS。

4.2、動態電阻

ESD 是一（yī）種極速事件，也（yě）就是幾納秒的事情。在如此短的時間（jiān）內，TVS 傳導接地通路不會立即建立起來，並且在通路中存在一定的電阻。這種電阻被稱作動態電阻 (RDYN)，如圖 5 所示。

理（lǐ）想（xiǎng）情（qíng）況下，RDYN 應為零，這樣 I/O 線路電壓才（cái）能盡可能地接（jiē）近 VBR；但是，這是不可能的事情。

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

4.3、鉗位電（diàn）壓

由於ESD是一種極速（sù）瞬（shùn）態事件，I/O 線路的電壓不能立即得（dé）到箝（qián）製。如圖 7 所（suǒ）示（shì），根據 IEC 61000-4-2 標準，數千（qiān）伏電壓被箝製（zhì）為數十伏。

如方程式 1 所示（shì），RDYN 越小，鉗位（wèi）性能也就越好：

其中，IPP 為 ESD 事件期間的峰值脈衝電流，而 Iparasitic 為通（tōng）過 TVS 接地來自連接器的線（xiàn）路寄生電感。

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

電（diàn）容

在正常工作狀態下，TVS為一個開路，並（bìng）具有寄生電容分流接地（dì）。設（shè）計人員應在信號鏈帶寬預算中考慮到（dào）這種電容。

結論

由於 IC 工藝技術節點變得越來越小，它（tā）也越來越容（róng）易受到 ESD 損壞的影響，不管是在製造（zào）過程還是在終端用戶使用環境下（xià）。器件級（jí） ESD 保護並不足以在係統層（céng）麵為 IC 提供保護。我們應在係統級設計（jì）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，例如：VBR、RDYN、VCL 和電容等（děng）。