电子工程师手记:ESD基本知识及ESD保护的选取

当今世界的各类电子设备日趋便携化。随着电子产品触觉功能的增加以及使用范围的不断扩大,硬件电子工程师必须要对系统进行ESD保护。如果产品在设计没有合理考虑ESD保护,不仅难以通过认证,也会使一次静电冲击轻易地就对我们的产品造成永久性的破坏。因此,清楚认识ESD保护以及合理选用ESD保护元件就变得至关重要。

本教程将分为以下6个部分:

  • ESD介绍
  • ESD保护:工作电压
  • ESD保护: IEC 61000-4-2 
  • ESD保护:钳位电压
  • ESD保护:电容
  • ESD保护:如何选择元件

ESD及ESD保护介绍

Electrostatic discharge (ESD)  ,即静电放电,是指两个物体在接近或接触时,发生的电子迅速转移的现象。众所周知,物体会在与其他物体的接触与摩擦中产生并积累电荷。比如我们的手跟外界摩擦时就会积累很多正电荷。当积累了很多正电荷的物体与一个导体距离非常近或接触的时候,电子将会快速从导体转移到积累正电荷的物体上。这个电子快速转移的过程就是静电释放,英文简称ESD。一般而言 ESD时的电压可能会高达上千伏特,这会对比较敏感的半导体和集成电路造成损害。ESD保护在集成电路系统中对裸露在外的接口有非常重要的作用。当带有电荷的物体,比如人体,靠近或者接触这些接口的时候,ESD产生的电流会短时间迅速释放在PCB上,很容易对电路造成损害。

为了防止系统受到不可逆的损害,我们可以在靠近接口的位置放置一个ESD保护装置,如ESD保护二极管。当ESD打到该接口上时,ESD保护二极管会将电流引向地,从而起到保护系统的作用。

ESD保护:工作电压

ESD保护二极管的本质其实是一个齐纳二极管。它是利用齐纳二极管反向偏压击穿的特性来保护它后端的电路不受静电放电的影响的。

在接口信号向系统电路传输的过程中,由于信号的幅值和能量很小,ESD保护二极管的电流-电压曲线几乎是平直的——ESD保护二极管两端的电压随着信号电压一起变化,而流经ESD保护二极管的电流几乎为零,如图所示:

而当ESD发生时(比如有带有静电的手触摸了接口),ESD保护二极管上的电压会超过它自生的击穿电压。于是,在大量电子转移到后端系统电路之前,ESD带来的瞬时强电流会由于ESD保护二极管的击穿而被引入“地”,从而保护了系统,如下图。

仔细观察下图中ESD保护二极管的电流-电压曲线。我们定义当ESD保护二极管通过的电流为1mA时,二极管两端的电压称作击穿电压Vbreakdown。当输入的电压小于保护二极管的击穿电压时,理想情况下二极管流过的电流应当为零。然而实际二极管一定存在一定量的泄露电流。如图中所示,我们将Vrwm或者工作电压,定义为保护二极管通过电流为10nA时,二极管两端的电压值。这个工作电压可以理解为建议的最大电压信号幅值。 所以在一般设计中,系统正常工作的信号幅值不要超过Vrwm。例如当信号电压范围是0至3.6V时,我们应该选择一个Vrwm在3.6V以上的保护二极管。如果你选择的二极管工作电压小于3.6V,就会发生信号幅值到最大时有电流泄露的情况,影响信号的完整性。 在确保工作电压小于击穿电压的情况下, 不论温度如何变化,都不会发生电流泄露影响信号完整性的情况。

通常来说,ESD保护二极管有两种类型:单向保护(Unidirecional)和双向保护(Bidirectional)。双向保护二极管是关于0V对称的,它允许信号在正负工作电压范围内存在。而单向保护二极管只能允许信号在正工作电压范围内正常工作,但它提供了对负压ESD更好的保护。

ESD保护: IEC 61000-4-2

在芯片的datasheet中,我们常常见到两种ESD模型,分别是人体模型(HBM)和带电装置模型(CDM)。但这两个模型都是用于描述芯片在生产、组装和运输过程中能否抵抗ESD,而非适用于真实的使用场景。

IEC 61000-4-2提出了更高的ESD防护标准,最高等级为四级,应用于8kV的接触放电及15kV的空气放电。这意味着满足该标准的设备有能力免受8kV接触放电和15kV空气放电的损害。下图展示了HBM、CDM和IEC 61000-4-2的不同放电模型。如果我们选取的芯片没有达到IEC 61000-4-2的标准,就意味着我们很可能需要额外对它们进行ESD保护。

ESD保护: 钳位电压

钳位电压Vclamping的含义是指,在系统遭受对应级别的ESD冲击时,系统IC需要承受的冲击电压值。下图红色曲线显示了在没有保护二极管时,一个在8kV IEC冲击在系统中造成的冲击电压随时间的变化。蓝色曲线表示在系统前平行放置一个ESD保护二极管时, 8kV IEC冲击在系统中造成的冲击电压随时间的变化 。我们可以看出,当一个ESD冲击进入系统时,二极管立刻被击穿,并提供了一个低阻抗路径将电流导向地面。但无论如何,由于阻抗的存在,系统电路上依然会有一定程度的压降。这个压降就表现为钳位电压。

想要了解钳位电压,最好的办法是观测 ESD保护二极管的传输线性脉冲曲线,或者简称为TLP曲线。TLP曲线提供了 二极管电压与电流的关系,可以通过给定的输入电流 推算出钳位电压。举个例子当1A的电流被释放到ESD二极管,它的钳位电压大约为8.4V。当放电电流为2.7A ,钳位电压为9V。当放电电流为5.8A时,钳位电压为10V 。以此类推。对于8000V的IEC ESD冲击而言,我们只需要看 TLP曲线中16A的那一点。对于这一个二极管而言,钳位电压大约是13.4V。TLP曲线的斜率对于理解二极管保护的好坏很重要。举个例子,绿色的曲线代表另一颗ESD保护二极管。更高的斜率代表它在对应电流时有更低的钳位电压。根据欧姆定律,这条曲线的斜率为动态电阻 1/Rdul。所以,当你关注钳位电压时,选择动态电阻更小的ESD保护二极管,就代表它拥有更小的钳位电压。

ESD保护: 寄生电容

ESD保护二极管的最主要的作用,是在ESD冲击发生时将电流引至地,来起到保护系统的作用。理想情况下,这颗ESD保护二极管在系统正常工作时,应该是处于完全隐形的位置,就像它不存在一样。但在现实世界中 情况并非如此,因为二极管会具有干扰信号完整性的寄生电容。我们来复习一下原理知识:一个二极管是由一个PN节组成的,其中包含一个正掺杂的P区和一个负掺杂的N区。在PN节的中心,还有一个高电阻率的耗尽层。由于P和N掺杂区具有相对较低的电阻,如电容器的极板,并且耗尽区具有如电容器的电介质那样的高电阻,所以二极管具有电容特性,并且可视为一个电容。如果二极管的寄生电容过高,则可能增加信号通过的上升和下降时间。这会对信号完整性造成伤害。举个例子,对于一些高速的接口,比如USB 3.0或者HDMI 2.0,眼图测试是一项必须的测试,用来确保接口符合标准。但是,增加的电容值会增加信号的上升与下降时间,从而导致眼图眼睛闭合,使得信号失真,无法满足信号标准的要求。那么选择ESD二极管时,应该选择哪种电容?不幸的是,由于每种设计都有自己的电容预算,因此不存在适合每种接口的最大ESD电容要求。但是下图这张表给出的几种常用接口的 一般电容和ESD选型的建议。

ESD保护:如何选择元件

根据上面的介绍,我们大致可以知道ESD保护选择应当采用何种思考顺序:

  1. 量化接口电压范围,以确定ESD保护二极管的工作电压Vrwm
  2. 选择极性:单向还是双向二极管?
  3. 确定二极管在不干扰 二极管信号接受完整度的情况下可以达到的最大电容C
  4. 确定受保护的IC的钳位电压Vclamping
  5. 确定所选择的元件符合 IEC 61000-4-2的4级8kV接触放电和15kV空气放电标准

下面以USB 2.0为例, 介绍一个简单的例子。假设我们已经选择了USB 2.0开关和电池充电芯片,但都需要ESD保护,因为它们直接放置在容易受到ESD冲击的USB接口旁边。

第一步是确认接口的电压范围。 对USB2.0而言 Vbus 可能达到5伏 所以我们可以确定的是,需要选取的ESD保护二极管的工作电压需要达到5V或略微高于5V。正常工作中 D+和D- 负责传输差分信号,幅值范围在0到3.6V之间 所以我会选择工作电压在3.6V或者更高的ESD保护二极管。

第二步是确定ESD保护二极管的极性。在我们希望的应用中,因为Vbus和D+ D-都是 大于等于零的正向信号,所以单向和双向的二极管都是可以的。选择单向二极管有助于 提供更好的提供负压保护,而选择双向二极管可以提供更灵活的设计空间,因为可以选择任意一个pin脚接地,另一个pin脚后接I/O口,避免PCB设计或者生产时弄反元件方向的错误。同理适用于D+与D-信号。

第三步是确定ESD保护二极管应该具有的电容。 因为Vbus线路是直流电信号,电容对信号无影响。但对于D+和D-而言,在高速USB信号速率可以达到480M。所以我们需要考虑对电容的影响。虽然最大的ESD电容还取决于整个系统的电容总预算,但一般而言推荐该接口的电容小于2.5pF。如果系统中其他器件的电容值更高,那么此处可能需要选择更小电容的二极管。

第四步是确定保护系统所需的钳位电压。在这种情况下,我们需要考虑USB switch和Battery Charger能承受的最大电压冲击。我们假设battery charger在传输线性脉冲曲线(TLP)脉冲20V时会发生故障 ,USB switch在TLP脉冲16V时会发生故障。这意味着为了保护battery charger顺利通过8000V的IEC ESD冲击,ESD保护二极管必须在16A处TLP有小于20V的钳位电压。同理,为了保护USB switch,ESD保护二极管必须在 16A处TLP有小于16V的钳位电压。 请记住,设备的TLP的故障电压与设备的绝对最大额定电压不相同。绝对最大电压是一个直流电压,而TLP故障电压是一个100ns的瞬态电压。

第五步是确保我们选择的ESD保护能满足IEC 61000-4-2四级的标准,也就是至少8kV的接触放电和15kV的空气放电。

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