系统级 esd 电路保护设计考虑因素

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1、系统级ESD电路保护设计考虑因素作者：RogerLiang来源:EEWORLD随着技术的发展，移动电子设备已成为我们生活和文化的重要组成部分。平板电脑和智能手机触摸技术的应用，让我们能够与这些设备进行更多的互动。它构成了一个完整的静电放电(ESD)危险环境，即人体皮肤对设备产生的静电放电。例如，在使用消费类电子设备时，在用户手指和平板电脑USB或者HDMI接口之间会发生ESD，从而对平板电脑产生不可逆的损坏，例如：峰值待机电流或者永久性系统失效。本文将为您解释系统级ESD现象和器件级ESD现象之间的差异，

2、并向您介绍一些提供ESD事件保护的系统级设计方法。系统级ESD保护与器件级ESD保护的对比IC的ESD损坏可发生在任何时候，从装配到板级焊接，再到终端用户人机互动。ESD相关损坏最早可追溯到半导体发展之初，但在20世纪70年代微芯片和薄栅氧化FET应用于高集成IC以后，它才成为一个普遍的问题。所有IC都有一些嵌入式器件级ESD结构，用于在制造阶段保护IC免受ESD事件的损坏。这些事件可由三个不同的器件级模型进行模拟：人体模型(HBM)、机器模型(MM)和带电器件模型(CDM)。HBM用于模拟用户操作引起的

3、ESD事件，MM用于模拟自动操作引起的ESD事件，而CDM则模拟产品充电/放电所引起的ESD事件。这些模型都用于制造环境下的测试。在这种环境下，装配、最终测试和板级焊接工作均在受控ESD环境下完成，从而减小暴露器件所承受的ESD应力。在制造环境下，IC一般仅能承受2-kVHBM的ESD电击，而最近出台的小型器件静电规定更是低至500V。尽管在厂房受控ESD环境下器件级模型通常已足够，但在系统级测试中它们却差得很远。在终端用户环境下，电压和电流的ESD电击强度要高得多。因此，工业环境使用另一种方法进行系统级

4、ESD测试，其由IEC61000-4-2标准定义。器件级HBM、MM和CDM测试的目的都是保证IC在制造过程中不受损坏；IEC61000-4-2规定的系统级测试用于模拟现实世界中的终端用户ESD事件。IEC规定了两种系统级测试：接触放电和非接触放电。使用接触放电方法时，测试模拟器电极与受测器件(DUT)保持接触。非接触放电时，模拟器的带电电极靠近DUT，同DUT之间产生的火花促使放电。表1列出了IEC61000-4-2标准规定的每种方法的测试级别范围。请注意，两种方法的每种测试级别的放电强度并不相同。我们

5、通常在4级（每种方法的最高官方标称级别）以上对应力水平进行逐级测试，直到发生故障点为止。7招专业人才，上一览英才网！器件级模型和系统级模型有一些明显的区别，表2列出了这些区别。表2中最后三个参数（电流、上升时间和电击次数）需特别注意：l电流差对于ESD敏感型器件是否能够承受一次ESD事件至关重要。由于强电流可引起结点损坏和栅氧化损坏，8-kVHBM保护芯片（峰值电流5.33A）可能会因2-kVIEC模型电击（峰值电流7.5A）而损坏。因此，系统设计人员不能把HBM额定值同IEC模型额定值混淆，这一点极为重

6、要。l另一个差异存在于电压尖峰上升时间。HBM的规定上升时间为25ns。IEC模型脉冲上升时间小于1ns，其在最初3ns消耗掉大部分能量。如果HBM额定的器件需25ns来做出响应，则在其保护电路激活以前器件就已被损坏。l两种模型在测试期间所用的电击次数不同。HBM仅要求测试一次正电击和一次负电击，而IEC模型却要求10次正电击和10次负电击。可能出现的情况是，器件能够承受第一次电击，但由于初次电击带来的损坏仍然存在，其会在后续电击中失效。图1显示了CDM、HBM和IEC模型的ESD波形举例。很明显，相比所

7、有器件级模型的脉冲，IEC模型的脉冲携带了更多的能量。7招专业人才，上一览英才网！TVS如何保护系统免受ESD事件的损害与ESD保护集成结构不同，IEC61000-4-2标准规定的模型通常会使用离散式独立瞬态电压抑制二极管，也即瞬态电压抑制器(TVS)。相比电源管理或者微控制器单元中集成的ESD保护结构，独立TVS成本更低，并且可以靠近系统I/O连接器放置，如图2所示。7招专业人才，上一览英才网！共有两种TVS：双向和单向（参见图3）。TITPD1E10B06便是一个双向TVS例子，它可以放置在一条通用数

8、据线路上，用于系统级ESD保护。正常工作状态下，双向和单向TVS都为一个开路，并在ESD事件发生时接地。在双向TVS情况下，只要D1和D2都不进入其击穿区域，I/O线路电压信号会在接地电压上下摆动。当ESD电击（正或者负）击中I/O线路时，一个二极管变为正向偏置，而另一个击穿，从而形成一条通路，ESD能量立即沿这条通路接地。在单向TVS情况下，只要D2和Z1都不进入其击穿区域，则电压信号会在接地电压以上摆动。当正ESD电击击中