ESD 基礎(chǔ)知識，什么是ESD,如何進行ESD防護

1.前言

如果我們看到閃電或被門把手不快地電擊，那么我們就已經(jīng)暴露在稱為靜電放電 (ESD) 的現(xiàn)象中。ESD 是兩個靠近的帶電物體之間的突然電流流動。接觸的物體有時會導致直接從一個物體放電到另一個物體。其他時候，物體之間的電勢可能非常大，以至于它們之間的電介質(zhì)（通常是空氣）會破裂——電流甚至不需要接觸（圖 1）。

圖 1：兩個帶電物體之間的電子傳輸導致 ESD

這些沖擊一直在發(fā)生，但人類無法感受到其中的大部分，因為沖擊電壓太低而無法察覺。大多數(shù)人實際上直到放電超過 2,000-3,000V 才開始感到震驚！雖然 1-10kV 范圍內(nèi)的 ESD 通常對人體無害，但它可能會導致半導體和集成電路 (IC) 發(fā)生災難性的電氣過載故障。

ESD 抑制器或二極管并聯(lián)放置在 ESD 源（通常是與外部世界的接口連接器）和組件（圖 2）之間，可以保護系統(tǒng)電路免受電氣過載故障的影響。

圖 2：ESD 沖擊會損壞沒有 ESD 保護的 IC（左）；ESD 保護將分流電流以保護下游 IC（右）

如果沒有 ESD 保護，ESD 沖擊產(chǎn)生的所有電流都會直接流入系統(tǒng)電路并損壞組件。但如果存在 ESD 保護二極管，高壓 ESD 沖擊將導致二極管擊穿并提供低阻抗路徑將電流重定向到地，從而保護下游電路。

許多電路元件包括設備級 ESD 保護，這導致一些人質(zhì)疑是否需要外部 ESD 保護元件。然而，設備級 ESD 保護遠不足以承受放電到實際終端設備上的 ESD 沖擊。隨著工藝創(chuàng)新導致芯片組尺寸減小，它們對 ESD 損壞的敏感性實際上增加了，這使得分立 ESD 保護成為每個電路設計人員的必需品。

2. 選擇 ESD 保護二極管考量

大多數(shù)電路組件確實提供了某種符合充電設備模型 (CDM) 或人體模型 (HBM) 標準的設備級 ESD 保護。如果我們查看圖 1 中顯示的數(shù)據(jù)表規(guī)格，很容易假設該組件足夠堅固以承受 ESD 沖擊。完美的！完畢！不需要分立的 ESD 保護，對吧？

圖 1：具有 HBM 和 CDM ESD 額定值的示例數(shù)據(jù)表

嗯……沒那么快。CDM 模擬集成電路 (IC) 充電和放電，而 HBM 模擬人在受控 ESD 環(huán)境中對 IC 放電。這些標準有助于確保組件能夠在有協(xié)議以盡量減少 ESD 暴露的工廠中制造和組裝。但是，它們并不能準確表示組件在最終用戶場景中的體驗。我不了解你，但我早上使用烤面包機時沒有戴 ESD 腕帶。

為了準確模擬真實用戶場景中的 ESD 沖擊，國際電工委員會 (IEC) 創(chuàng)建了一個更嚴格的標準，稱為 IEC 61000-4-2。正如我們在圖 2 中看到的，與 CDM 和 HBM 脈沖相比，該 IEC 脈沖具有更快的上升時間、更長的持續(xù)時間、更高的峰值脈沖電流和更多的能量。

圖 2：不同 ESD 模型的比較

IEC 61000-4-2 標準包括兩種不同的 ESD 額定值，我們通?？梢栽跀?shù)據(jù)表中找到這些額定值：接觸電壓放電（ESD 直接放電到器件上）和氣隙電壓放電（ESD 通過間隙放電到器件上空氣）。IEC 61000-4-2 標準規(guī)定了四個等級的電壓額定值，其中第 4 級是最高的（表 1）。

表 1：IEC 61000-4-2 標準級別

對于大多數(shù)應用，4 級 IEC ESD 保護（8kV 接觸/15kV 氣隙）就足夠了。然而，ESD 沖擊預計具有更強電壓或可能更頻繁發(fā)生的應用或環(huán)境需要更高的接觸電壓和氣隙電壓額定值（表 2）。例如，TI 的TPD1E1B04 的 IEC 61000-4-2 額定值為 30kV/30kV。

表 2：ESD 生成的典型示例（來源：Phil Storrs PC Hardware） 

如果設備僅針對 HBM 和 CDM ESD 進行評級，則它很可能沒有足夠的穩(wěn)健性來在實際場景中繼續(xù)正常運行。因此，在選擇 ESD 保護二極管來保護這些設備時，選擇具有足夠 IEC 61000-4-2 額定值的二極管至關(guān)重要，以確保二極管本身能夠經(jīng)受住反復暴露于 ESD 的考驗。

3. 二極管鉗位電壓選擇

在發(fā)生 ESD 故障后，我經(jīng)常從電路設計人員那里聽到的一條評論是：“我使用了 ESD 保護二極管，其額定值為 30kV 接觸和 30kV 氣隙 IEC 61000-4-2 ESD。為什么我的系統(tǒng)仍然失??？30kV/30kV 額定值遠高于推薦的 8kV/15kV 額定值！”

雖然 IEC 61000-4-2 等級很重要，但它并不是我們在選擇 ESD 二極管時需要考慮的唯一因素。IEC 61000-4-2 等級僅告訴我們 ESD 二極管本身可以承受多少電壓。該額定值并未說明下游電路是否會受到保護。要理解這一點，我們需要查看二極管的鉗位電壓。

與電路并聯(lián)放置的保護二極管可保護該電路免受 ESD 的影響。當發(fā)生 ESD 沖擊時，二極管會迅速擊穿并將“所有”ESD 電流引導至地，從而保護下游電路。我將“全部”放在括號中，因為所有 ESD 電流流經(jīng) ESD 二極管的唯一方式是二極管的阻抗為零。在現(xiàn)實世界中，所有 ESD 二極管都有一些小的電阻，稱為動態(tài)電阻 (R DYN )。R DYN將導致導通二極管兩端的電壓降；由于受保護集成電路 (IC) 是并聯(lián)的，因此我們會看到受保護 IC 兩端的壓降相同（圖 1）。該電壓降稱為鉗位電壓。

圖 1：ESD 二極管的鉗位電壓

ESD 二極管的鉗位電壓將最終決定下游 IC 是否會受到 ESD 沖擊保護。盡管它是最重要的規(guī)格之一，但它也可能是數(shù)據(jù)表中最難找到的規(guī)格。確定二極管在受到 IEC ESD 沖擊時的真實鉗位電壓的最簡單方法是查看傳輸線脈沖 (TLP) 響應曲線。圖 2 是 ESD122 TLP 響應曲線的示例，它顯示了器件的電流和電壓之間的關(guān)系。如我們所見，當流經(jīng)器件的電流增加時，器件兩端的電壓幾乎以線性速率增加。

圖 2：ESD122 的 TLP 響應曲線

TLP 很有用，因為它具有與 IEC 61000-4-2 ESD 沖擊相似的特性。因此，我們可以將 TLP 電流與 IEC ESD 相關(guān)聯(lián)：

· 2kV IEC 沖擊 = 4A TLP。

· 4kV IEC 沖擊 = 8A TLP。

· 6kV IEC 沖擊 = 12A TLP。

· 8kV IEC 沖擊 = 16A TLP。

有了這些信息，我們可以從圖 2 中的 TLP 響應曲線推斷，在 8kV IEC 61000-4-2 ESD 沖擊期間，ESD122 的鉗位電壓約為 13.5V。換句話說，當發(fā)生 8kV IEC 沖擊時，我們可以預期下游電路將暴露在 13.5V 下大約 100ns。

一般而言，鉗位電壓越低，保護性能越好，因此下次選擇ESD二極管時，請查看TLP曲線。