系统级ESD电路保护设计考虑因素

　　引言

　　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，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 *** 作引起的 ESD 事件，MM 用于模拟自动 *** 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-kV HBM 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 ESD 测试，其由 IEC 61000-4-2 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；IEC 61000-4-2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 IEC 61000-4-2 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。

　　表 1 接触放电和非接触放电方法的测试电平

        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-kV HBM 保护芯片（峰值电流5.33A）可能会因 2-kV IEC 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，相比所有器件级模型的脉冲，IEC 模型的脉冲携带了更多的能量。

　　表 2 器件级模型与 IEC 系统级模型比较

 

　　图 1 器件级和 IEC 模型的 ESD 波形

　　TVS 如何保护系统免受 ESD 事件的损害

　　图 2 系统级 TVS 布局

　　共有两种 TVS：双向和单向（参见图 3）。TI TPD1E10B06 便是一个双向 TVS例子，它可以放置在一条通用数据线路上，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I/O线路时，D1变为正向偏置，而Z1 先于 D2 进入其击穿区域；通过 D1 和 Z1 形成一条接地通路，从而让 ESD 能量得到耗散。当发生负 ESD 事件时，D2 变为正向偏置，ESD能量通过 D2接地通路得到耗散。由于 D1 和 D2 尺寸可以更小、寄生电容更少，单向二极管可用于许多高速应用；D1 和 D2 可以“隐藏”更大的齐纳二极管 Z1（大尺寸的原因是处理击穿区域更多的电流）。

　　图 3 双向和单向 TVS