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干货 | 你真的了解ESD吗?老司机从零教学系列之学会ESD选型

2018-11-08
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ESD(Electro-Static discharge)的意思是“静电释放”。ESD是20世纪中期以来形成的以研究静电的产生、危害及静电防护等的学科。因此,国际上习惯将用于静电防护的器材统称为ESD,中文名称为静电阻抗器。 

通常,电路中通常采用TVS(Transient Voltage Suppressor)二极管,又称为瞬态抑制二极管,是普遍使用的一种新型高效电路保护器件,它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时,TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗,以吸收一个瞬间大电流,把它的两端电压箝制在一个预定的数值上,从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

什么是ESD?

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。举个例子,人类的皮肤经常会在与物体的接触和摩擦中失去电子,从而积累正电荷。当这个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。当你在干燥的天气脱了大衣又去抓金属门把手的时候,我相信你就知道ESD是什么了。

一般而言,ESD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类靠近或者接触这些接口的时候,ESD电流会释放在PCB上,这很容易对电路造成损害。

为了防止系统损伤,我们可以在靠近接口的位置放置一个ESD保护二极管。当ESD静电打上接口时,ESD保护二极管会将电流引向地,从而起到保护系统的作用。


如图所示,在接口信号向系统传输的过程中,ESD保护二极管应该处于隐形状态,并且没有电流流过。然而,当一个ESD攻击事件发生时,二极管两端的电压超过一个称为击穿电压的特定阈值,二极管开始导通,并将电流分流到地。


让我们仔细观察一下这个电流电压曲线,我们定义当二极管流过的电流为1毫安时,二极管达到击穿电压,当输入的电压小于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。然而在现实世界中,一定量的电流泄露是必然存在的,如图中所示。在TI的设计语言中,我们将Vrwm称为工作电压,定义为电流10纳安的点、这个工作电压值可以理解为建议的最大电压信号浮值,所以在一般设计中,我们会建议系统的信号不要超过Vrwm。例如,如果你的信号范围是0至3.6伏,您应该选择一个Vrwm在3.6伏以上的二极管。如果你选择的二极管工作电压小于3.6伏,就容易发生电流泄露的情况。

ESD二极管通常有两种极性: 双向和单向双向二极管通常有正负对称的I-V曲线,工作电压和击穿电压。正因为如此,双向二极管可以支持在它正负工作电压范围内的正负信号。另一方面单相ESD二极管一旦出现负压,则会被击穿。所以对于单向ESD二极管而言,它仅能支持正向的0至工作电压区间的信号。不过单向ESD二极管反向钳位的电压更小,可以提供更好的负压保护。


总结而言,双向和单向ESD二极管都可以提供正负ESD电压保护。但是双向ESD二极管由于具有对称的正负击穿电压,可以通过正负信号。而单向ESD二极管只可以通过正向信号,适用的接口比如USB HDMI以及一些其他的数字接口,不过相比双向而言单向ESD二极管对于负压的保护更好。


IEC 61000-4-2标准

几乎所有的模拟和数字芯片都会在data sheet里标注这颗料的ESD数据,设计人员经常会参考这些数据并误以为这些芯片可以在日常使用中免受ESD的损坏。但是如果您了解衡量ESD的标准后,您就会知道,普通芯片的ESD等级并不一定能完全保护电路。


我们来看一看您可以会在data sheet中看到的ESD模型,第一个是人体模型,简称HBM,它模拟了在工厂环境中携带静电的人体触摸接地设备的过程。HBM的波形如绿线所示,值得一提的是HBM标准是为了衡量芯片能否在生产、组装和运输的过程中免受ESD的损害,并非适用于日常使用的场景。

第二个介绍的是带电装置模型,简称CDM,它模拟了一个带静电的器件接触电路的情景,CDM的模拟波形如蓝线所示,CDM会在小于20ns的时间内有一个非常高的电流脉冲。和HBM相似CDM也是为了衡量芯片生产,制造过程中可能会遇到的ESD而设计的,并非适用于日常使用场景。

我们介绍的下一个标准IEC 61000-4-2模型和HBM以及CDM不同,这是一个为日常使用设计的标准,它可以帮助我们衡量芯片确保是否能在日常可能接触到的ESD中免受损坏。如红色波形所示它用了更高的电流脉冲并且持续的时间也更长。


IEC 61000-4-2标准有四个不同的等级,最高等级为四级,应用8kV的接触放电和15kV的空气放电,这意味着您的接口芯片有能力免受8kV接触放电和15kV空气放电的损坏。

如果您的芯片没有达到这个等级,在电路里增加我们的ESD保护芯片,可以帮助你们达到这个级别,甚至更高级别的保护。

ESD二极管钳位电压

通常大家对IEC标准存在一个误解,这里我们以IEC四级举例,当我们在data sheet中提到这颗ESD二极管可以达到8000V接触放电和15kV空气放电时,我们针对的是这颗ESD二极管本身可以承受8000V和15kV的ESD冲击,并不代表系统电路同样可以承受。ESD二极管的钳位电压可以帮助我们量化在承受ESD冲击的时候,系统将会受到的冲击。


如图所示,我们的ESD保护二极管放置在一个与受保护电路平行的位置,钳位电压的含义是指在系统遭受对应级别的ESD冲击时,系统SE需要承受的冲击电压值。这张图显示了一个8kV IEC冲击在系统中造成的冲击电压随时间的变化。红色的波形代表没有ESD二极管的信息,如果加上了ESD保护二极管,当一个ESD冲击进入系统,ESD二极管将立刻被击穿,并提供一个低阻抗的路径将电流导向地面。无论如何,在ESD保护二极管的两端,由于阻抗的存在依然会有一定程度的压降,这个压降将会平行映射到系统电路中。

蓝色的波形就显示了钳位波形,对于了解钳位电压,最好的办法是观测ESD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。现在我们可以大致估算出冲击时,系统会承受的钳位电压。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的电容及电容对于系统的意义

回忆一下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。然而,这颗ESD二极管在系统正常工作时,应该是处于完全隐形的位置。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,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?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。但是这张表给出的几种常用接口的一般电容和ESD选型的建议。

如何选择ESD二极管 

ESD保护的第一步是量化接口电压范围,以确定ESD二极管的工作电压;第二步是选择极性单向还是双向二极管;第三步是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;第四步是决定受保护系统的IC的钳位电压;最后一步是确定ESD为IEC 61000-4-2 4级 8千伏接触放电和15千伏空气放电。


让我们以USB 2.0为例介绍一个简单的例子,您已经选择了USB 2.0开关和电池充电器,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插座旁边。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5伏或略微高于5伏。正常工作中D+和D-负责传输叉分信号幅值范围在0到3.6伏之间。所以我会选择工作电压在3.6伏,或者更高的ESD保护二极管。


接下来我们需要确定ESD二极管的极性配置,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有的。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pin脚可以自定义接地、后接I/O口。同理适用于D+与D-。

接下来,我们需要确定ESD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中信号速率可以达到480兆,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,但一般而言我们推荐该接口的电容小于2.5pF,如果系统中其他器件具有更高的电容值,那么此处可能需要选择更小电容的二极管。

接下来,我们看看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TLP脉冲20伏时会发生故障,USB switch在TLP16脉冲16伏时会发生故障,这意味着为了保护battery charger顺利通过8000伏的IEC ESD冲击,ESD二极管必须在16安 TLP有小于20伏的钳位电压。同理,为了保护USB switch ESD二极管必须在 16安TLP时有小于16伏的钳位电压。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是一个100ns的瞬态。

我想指出,很快找到系统所需的钳位电压并非那么容易。所以各家元件厂商包括TI已经创建了几种选择工具和指南,来推荐基于接口的解决方案。

我们即将完成我们的选型任务下面我们要做的确保我们选择的芯片,最小能满足IEC61000—4—2四级的标准,也就是至少千伏的接触放电和15千伏的空气放电。 

以上就是关于ESD的基础知识及选型,如果要学习更多关于ESD或其他接口相关知识,请点击阅读原文,访问
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