系統級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。平板電腦和智能手機觸摸技術的應用，讓我們能夠與這些設備進行更多的互動。它構成了一個完整的靜電放電 (ESD) 危險環境，即人體皮膚對設備產生的靜電放電。

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：峰值待機電流或者永（）久性系統失效。

本文將為您解釋系統級 ESD 現象和器件級 ESD 現象之間的差異，并向您介紹一些提供 ESD 事件保護的系統級設計方法。

2、系統級ESD保護與器件級ESD保護的對比

IC 的 ESD 損壞可發生在任何時候，從裝配到板級焊接，再到終端用戶人機互動。ESD 相關損壞最早可追溯到半導體發展之初，但在 20 世紀 70 年代微芯片和薄柵氧化 FET 應用于高集成 IC 以后，它才成為一個普遍的問題。

所有 IC 都有一些嵌入式器件級 ESD 結構，用于在制造階段保護 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 (HBM)、機器模型 (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 用于模擬自動操作引起的 ESD 事件，而 CDM則模擬產品充電/放電所引起的 ESD 事件。這些模型都用于制造環境下的測試。在這種環境下，裝配、最終測試和板級焊接工作均在受控 ESD 環境下完成，從而減小暴露器件所承受的 ESD 應力。在制造環境下，IC 一般僅能承受 2-kV HBM 的 ESD 電擊，而最近出臺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，但在系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電擊強度要高得多。

因此，工業環境使用另一種方法進行系統級 ESD 測試，其由IEC 61000-4-2 標準定義。器件級 HBM、MM和CDM 測試的目的都是保證 IC 在制造過程中不受損壞；IEC 61000-4-2規定的系統級測試用于模擬現實世界中的終端用戶ESD事件。

IEC 規定了兩種系統級測試：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) 保持接觸。非接觸放電時，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范圍。請注意，兩種方法的每種測試級別的放電強度并不相同。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，直到發生故障點為止。

3、TVS 如何保護系統免受 ESD 事件的損害

與 ESD 保護集成結構不同，IEC 61000-4-2 標準規定的模型通常會使用離散式獨立瞬態電壓抑制二極管，也即瞬態電壓抑制器 (TVS)。相比電源管理或者微控制器單元中集成的 ESD 保護結構，獨立 TVS 成本更低，并且可以靠近系統 I/O 連接器放置，如圖 2 所示。

共有兩種 TVS：雙向和單向（參見圖 3）。TI TPD1E10B06 便是一個雙向 TVS例子，它可以放置在一條通用數據線路上，用于系統級 ESD 保護。

正常工作狀態下，雙向和單向 TVS 都為一個開路，并在 ESD 事件發生時接地。在雙向 TVS 情況下，只要 D1 和 D2 都不進入其擊穿區域，I/O 線路電壓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，一個二極管變為正向偏置，而另一個擊穿，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 都不進入其擊穿區域，則電壓信號會在接地電壓以上擺動。

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

當發生負 ESD 事件時，D2 變為正向偏置，ESD能量通過 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擊穿區域更多的電流）。

4、系統級 ESD 保護的關鍵器件參數

圖 4 顯示了 TVS 二極管電流與電壓特性的對比情況。盡管 TVS 是一種簡單的結構，但是在系統級 ESD 保護設計過程中仍然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 I/O 線路的最大工作電壓 VRWM 為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 產品說明書會包括具體漏電流的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 VBR（min） 大于受保護I/O 線路 VRWM 幾伏的 TVS。

4.2、動態電阻

ESD 是一種極速事件，也就是幾納秒的事情。在如此短的時間內，TVS 傳導接地通路不會立即建立起來，并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。

理想情況下，RDYN 應為零，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 的最新工業標準值為 1 ? 或者 1 ? 以下。利用傳輸線路脈沖測量技術可以得到 RDYN。使用這種技術時，通過 TVS 釋放電壓，然后測量相應的電流。在得到不同電壓的許多數據點以后，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是一種極速瞬態事件，I/O 線路的電壓不能立即得到箝制。如圖 7 所示，根據 IEC 61000-4-2 標準，數千伏電壓被箝制為數十伏。

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 TVS 接地來自連接器的線路寄生電感。

把鉗位電壓波形下面的區域想像成能量。鉗位性能越好，受保護ESD敏感型器件在ESD事件中受到損壞的機率也就越小。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"器件卻被損壞了。

電容

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

結論

由于 IC 工藝技術節點變得越來越小，它也越來越容易受到 ESD 損壞的影響，不管是在制造過程還是在終端用戶使用環境下。器件級 ESD 保護并不足以在系統層面為 IC 提供保護。我們應在系統級設計中使用獨立 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。