係（xì）統級ESD設計考（kǎo）慮

1、引言

隨著技術的發展，移（yí）動電子（zǐ）設備已成為（wéi）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（ràng）我（wǒ）們能夠與這些設備（bèi）進行更多的互動。它構成了一個完（wán）整的靜電（diàn）放電 (ESD) 危險環境，即人體皮膚對設備產生的靜電（diàn）放電。

例如（rú），在使用消費類電子設（shè）備時，在用戶手指和平板電腦 USB 或者 HDMI 接口之間（jiān）會發生 ESD，從而（ér）對平板電腦產生不可逆的損壞，例如：峰值待機電流或者永（）久性係統失效。

本文將為您解釋係統級 ESD 現象和器件級 ESD 現象之間的差（chà）異，並向（xiàng）您介紹一些提供 ESD 事件保護的係統級設計方法。

2、係統級ESD保護與器（qì）件級ESD保護的對比

IC 的 ESD 損壞可（kě）發（fā）生在任何時候（hòu），從裝配（pèi）到（dào）板級焊接，再（zài）到終端用戶（hù）人機互動。ESD 相關損壞（huài）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（báo）柵氧（yǎng）化 FET 應用於高（gāo）集成 IC 以後，它才成為一（yī）個普遍的問題。

所有 IC 都有一些嵌入式器件級 ESD 結構，用於在製造階段保護 IC 免受（shòu） ESD 事件的損壞。

這（zhè）些事件可（kě）由三個不同的器件級模（mó）型進行模擬（nǐ）：人體模型 (HBM)、機器模型 (MM) 和帶電器件模型(CDM)。

HBM 用於模擬用戶操作引起的 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（pǐn）充電/放電所引起的 ESD 事件。這些模型都用於製造環境下的測試。在這種環境下，裝（zhuāng）配、最終測試（shì）和板級焊接工作均在受控 ESD 環境下（xià）完成，從而減小暴露器件所承（chéng）受（shòu）的 ESD 應力（lì）。在製造環境下，IC 一般僅能承受 2-kV HBM 的 ESD 電擊，而最近出（chū）台的小型器件靜電規定更（gèng）是低至（zhì） 500V。

盡（jìn）管（guǎn）在廠房受控 ESD 環境下器件級（jí）模型通常已足夠，但在係統級測試中它們卻差得很遠。在終端用戶環（huán）境下，電壓和電流的ESD電擊強度要高得多。

因此，工業環境（jìng）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 測試的（de）目的都是保證 IC 在製造過程中不受損壞；IEC 61000-4-2規（guī）定的係統級測試用於模擬現實世界中的（de）終端用（yòng）戶ESD事件（jiàn）。

IEC 規定了（le）兩種係（xì）統級測試：接觸放電和非接觸放電。使用（yòng）接觸放電方法（fǎ）時，測試模擬器（qì）電（diàn）極與受測器（qì）件（jiàn）(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（shì）級別範圍。請注意，兩種方法的每（měi）種測試級別的放電強度並不相同（tóng）。我們通常在4級（每種方法的最高官（）方標稱級別）以上對（duì）應力水平進行逐級測試，直到發生故障點為止。

3、TVS 如何保護係統免受 ESD 事件的損害

與 ESD 保護（hù）集成結構不（bú）同，IEC 61000-4-2 標準規（guī）定的模型通（tōng）常會使用離散式獨立瞬態電壓（yā）抑製（zhì）二極管（guǎn），也即瞬態電壓抑製器 (TVS)。相（xiàng）比（bǐ）電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（gèng）低，並且可以靠（kào）近係統（tǒng） I/O 連接器放（fàng）置，如圖 2 所示。

共（gòng）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（zài）一條通用數據線路上，用於係統級 ESD 保護。

正常工作狀態下，雙向和單（dān）向 TVS 都為一個開路，並在 ESD 事件發生時接地。在雙向（xiàng） TVS 情況下，隻要 D1 和 D2 都不進入其（qí）擊穿區域，I/O 線路電壓信號會在接地電壓上下擺（bǎi）動。

當 ESD 電（diàn）擊（正（zhèng）或者（zhě）負）擊中（zhōng） I/O 線路時，一個二極管變為正（zhèng）向偏置，而另一個擊穿，從而形成一條通路（lù），ESD 能量立即沿這條（tiáo）通路（lù）接地。在單向 TVS 情（qíng）況下（xià），隻要 D2 和 Z1 都不（bú）進入其擊穿區域（yù），則電（diàn）壓信號會在接地電壓以上擺動。

當正ESD電擊擊（jī）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（yù）；通過 D1 和 Z1 形成一條接地（dì）通路，從而讓 ESD 能量得到（dào）耗散。

當發生負 ESD 事件時，D2 變為正向（xiàng）偏（piān）置，ESD能量通過 D2接地通（tōng）路得到耗散。由於 D1 和 D2 尺寸可以更小、寄生電容更（gèng）少，單向二極管可用於許多高速應用；D1 和 D2 可（kě）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、係（xì）統級 ESD 保護的關鍵器件（jiàn）參數

圖 4 顯（xiǎn）示了（le） TVS 二極管電流與電壓特性（xìng）的對比情況。盡管（guǎn） TVS 是一種簡單的結構，但是在係統（tǒng）級 ESD 保護（hù）設計過（guò）程中仍然需要（yào）注意幾個重要的參數。

這些參數包括擊穿電壓 VBR、動態電阻（zǔ） RDYN、鉗位（wèi）電壓VCL 和電（diàn）容（róng）。

4.1、擊穿（chuān）電壓VBR

正確選（xuǎn）擇 TVS 的第一步是研究擊穿電（diàn）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（zuì）大電壓以前 TVS 不應進入其擊穿區（qū）域。通（tōng）常，TVS 產品說明書會包括具體（tǐ）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） 大於受保護I/O 線路（lù） VRWM 幾伏的（de） TVS。

4.2、動態電阻（zǔ）

ESD 是一（yī）種極速事件，也就是幾納秒的事情。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（yī）定的電（diàn）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（jiē）近 VBR；但是，這是不可能的事（shì）情。

RDYN 的最新工（gōng）業標準（zhǔn）值為（wéi） 1 Ω 或（huò）者 1 Ω 以下。利用傳輸線路（lù）脈衝測量技術可以得到 RDYN。使用這種技術時（shí），通過 TVS 釋放電壓，然後測量相應的電流。在得（dé）到不同電壓的許多數據點以（yǐ）後，便（biàn）可以繪製出如圖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 Ω。

4.3、鉗位電壓

由於ESD是一種極速瞬態事件，I/O 線路的電壓不能立即得到箝製。如圖 7 所示，根據 IEC 61000-4-2 標準，數千伏電壓被箝製為數十伏。

如方程式 1 所示（shì），RDYN 越小，鉗位性能也就越好：

其中，IPP 為 ESD 事件期（qī）間的峰值脈衝電流，而 Iparasitic 為通過 TVS 接地來自連（lián）接器的線路寄生電感。

把鉗位電壓波形下麵（miàn）的區域想像（xiàng）成能量（liàng）。鉗位性能（néng）越好，受保護ESD敏感（gǎn）型器件在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（chéng）受IEC模型的8kV接觸式放電，但是“受（shòu）保護"器件卻被損壞（huài）了。

電容

在正（zhèng）常工作狀態下，TVS為一個開路，並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

由於 IC 工藝技術節（jiē）點（diǎn）變得越來越小，它也越來越容易受到 ESD 損（sǔn）壞的影響，不管是在製造過程（chéng）還是在終端用戶使用環（huán）境下（xià）。器件級 ESD 保護並不足以在係統層麵為 IC 提供保（bǎo）護。我們應在係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（shù），例如：VBR、RDYN、VCL 和電容等。