係統級ESD設計考（kǎo）慮

1、引言

隨（suí）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（bù）分。平板電腦和智能手機觸摸技術的應（yīng）用，讓我們能（néng）夠與（yǔ）這些設備進行更多的互動。它構成（chéng）了一個完整的靜電放電 (ESD) 危險環境，即人體（tǐ）皮膚對設備產生（shēng）的靜（jìng）電放電。

例如，在使用消費類電（diàn）子設備（bèi）時，在用戶手指和平板電腦 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：峰值待機電流或者永（yǒng）（）久（jiǔ）性係（xì）統失效（xiào）。

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

2、係統級（jí）ESD保護與器件級ESD保護（hù）的對比

IC 的 ESD 損壞可發生在（zài）任（rèn）何時候，從裝配到板級焊接，再到終端用戶人機互動。ESD 相關損壞最早可追溯到半（bàn）導體發展之初，但在 20 世紀 70 年代微（wēi）芯片和薄（báo）柵氧化 FET 應（yīng）用（yòng）於高集成 IC 以後，它才成為一個（gè）普遍的（de）問題。

所有（yǒu） IC 都有一些嵌入式（shì）器件級 ESD 結構，用於在製造階段保（bǎo）護 IC 免受 ESD 事件（jiàn）的損壞。

這些事件可由三個不同的器件（jiàn）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 用於模擬用戶操（cāo）作（zuò）引起的 ESD 事件，MM 用於（yú）模擬自動操作引起的 ESD 事件，而 CDM則模擬產品充電（diàn）/放電所引起的 ESD 事件。這些（xiē）模（mó）型都用於（yú）製造環境下（xià）的測試。在（zài）這種環境下，裝配、最終測試和板級焊接工作均在受控 ESD 環境下完成，從而減小暴露器件所承受的 ESD 應力。在製造環境下，IC 一般僅能承受 2-kV HBM 的 ESD 電擊，而最近出台的小型器件靜（jìng）電規定更是（shì）低至（zhì） 500V。

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

因此，工業環境使用另一種方法進行係統級 ESD 測試，其由IEC 61000-4-2 標準定義。器件級 HBM、MM和CDM 測（cè）試的（de）目的都是保證 IC 在製（zhì）造過程中不受損壞；IEC 61000-4-2規定的係統級測試用於模擬（nǐ）現實世界中的終端用戶ESD事件。

IEC 規定了兩種（zhǒng）係統級測（cè）試：接觸放電和非接觸放電。使用接觸放電方法時（shí），測試（shì）模擬器電極與受測器件(DUT) 保持接觸。非接（jiē）觸放電時，模擬器的帶電電極靠近 DUT，同 DUT 之間產生的火花促（cù）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（yì），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（zài）4級（每（měi）種（zhǒng）方法的最高官（）方標稱級別）以上對應力水平進行逐級測試，直到發生故障（zhàng）點（diǎn）為止。

3、TVS 如何保（bǎo）護係統免（miǎn）受 ESD 事件的損害（hài）

與 ESD 保護集成結構不同（tóng），IEC 61000-4-2 標準規定的模型通常會（huì）使用離（lí）散式獨立瞬態電壓抑（yì）製二極管，也即瞬態電壓抑製器（qì） (TVS)。相比電源管理或者微（wēi）控製器單元中集成的 ESD 保護結構，獨立 TVS 成本更低，並且（qiě）可以靠近係統 I/O 連接器放置，如圖（tú） 2 所（suǒ）示。

共有兩種 TVS：雙向和單向（參見圖 3）。TI TPD1E10B06 便是一（yī）個雙（shuāng）向 TVS例子，它可以放置在一條通用數據線（xiàn）路上，用於（yú）係統級 ESD 保（bǎo）護。

正常工作狀態下，雙向和單向 TVS 都為一個開路，並在 ESD 事（shì）件發生時接地。在雙向 TVS 情況下（xià），隻要 D1 和 D2 都不進入其擊穿（chuān）區域，I/O 線路電壓（yā）信號會在接地電壓上（shàng）下（xià）擺動。

當 ESD 電擊（正或者負）擊中 I/O 線路時，一個（gè）二極管變為正向偏置（zhì），而另一個擊穿，從而形成一條通（tōng）路，ESD 能量立即沿這條通路接地。在單向 TVS 情況下（xià），隻要 D2 和 Z1 都不進入其擊穿區域（yù），則（zé）電壓信號會在接（jiē）地電壓以上擺動。

當正ESD電擊擊（jī）中I/O線路（lù）時，D1變為正向偏置，而Z1 先於 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（hào）散。

當發生負 ESD 事件時，D2 變為正向偏（piān）置，ESD能量通過 D2接地通路得到耗散。由於 D1 和 D2 尺寸可以更小、寄生電容更少，單（dān）向二極管可用於許多高速應用；D1 和 D2 可以“隱藏"更大的（de）齊（qí）納二極（jí）管 Z1（大尺寸的（de）原因是處理擊穿區域更多的電流）。

4、係統級 ESD 保護的關鍵器件參（cān）數

圖 4 顯示了 TVS 二極管電流與電（diàn）壓特性的對比情況（kuàng）。盡（jìn）管 TVS 是一種簡（jiǎn）單的結構，但是在係統（tǒng）級 ESD 保護設（shè）計過程中仍然（rán）需要注意幾個重要的參數。

這些參數包括擊穿電壓 VBR、動態電阻 RDYN、鉗位電（diàn）壓VCL 和電容。

4.1、擊穿電壓VBR

正確選擇 TVS 的第一步是研（yán）究擊穿電壓 (VBR)。

例如，如果（guǒ）受保護（hù） I/O 線路的最大工作電壓 VRWM 為5V，則在達到（dào）該最大（dà）電壓以前 TVS 不應進（jìn）入其擊穿（chuān）區（qū）域。通常，TVS 產品說（shuō）明書（shū）會（huì）包括具體漏電（diàn）流的VRWM，它讓（ràng）我們能夠更加容易地選擇正確的 TVS。否則，我們（men）可以選擇一個 VBR（min） 大於受（shòu）保護I/O 線路 VRWM 幾伏的 TVS。

4.2、動態電阻

ESD 是一種極速事件，也（yě）就是幾納秒的事情。在如此短（duǎn）的時間內，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（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 線路電（diàn）壓才能盡可能地接近 VBR；但是（shì），這是不可能的事情。

RDYN 的最新工業標準值為（wéi） 1 Ω 或者 1 Ω 以下。利用傳輸（shū）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（hòu）測量相（xiàng）應的電流。在得到不同電壓的（de）許多數據點以後，便（biàn）可以繪製出如圖6一樣的 IV 曲（qǔ）線，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（tài）事（shì）件，I/O 線路（lù）的（de）電壓不能立（lì）即得到箝製（zhì）。如圖 7 所示，根據 IEC 61000-4-2 標準，數千伏電壓（yā）被箝製為（wéi）數十伏。

如方程式 1 所示，RDYN 越（yuè）小，鉗位性能也就越（yuè）好：

其中，IPP 為 ESD 事件期間的峰值脈衝電流，而 Iparasitic 為通過 TVS 接地來自連接器的（de）線路寄生電（diàn）感。

把鉗位電壓（yā）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（jiàn）在ESD事件中受到損壞的機率也就越小。由於（yú）鉗位電壓很小，一（yī）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，並具（jù）有寄（jì）生電容分流接地。設計（jì）人員應（yīng）在信號鏈帶寬預算中考慮到這種電（diàn）容。

結論

由（yóu）於 IC 工藝技（jì）術（shù）節點變得越來越小，它（tā）也越來越容易受到 ESD 損（sǔn）壞的影響，不管是在製造過程還是在終端用戶（hù）使用環境（jìng）下（xià）。器（qì）件級 ESD 保護並不足以在係統層麵為 IC 提供保護。我們應在（zài）係統級設計中使（shǐ）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。