加強(qiáng)ESD保護(hù)的技巧

　　在本文章中，我們將介紹各種技巧，電路板設(shè)計者可以用它們幫助自己實(shí)現(xiàn)設(shè)計所需的ESD等級，從而保證所選的ESD保護(hù)器件能夠通過在系統(tǒng)ESD測試。

　　圖1

　　背景

　　現(xiàn)代電子設(shè)備(從LCD電視到手機(jī))使用的很多芯片集都是采用130nm以下的工藝技術(shù)開發(fā)而成。這些技術(shù)的最低DC電壓容差超過3.3V，所以ESD脈沖對這類器件的影響是毀滅性的。并且，“板上”或“片上”ESD保護(hù)要求已降至500V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于8kV 現(xiàn)場要求的典型值。

　　因此，考慮到小型芯片集的弱點(diǎn)，電路板設(shè)計者不僅需要外部ESD保護(hù)，還需要確保它足夠穩(wěn)定。如先前的白皮書所述，在受保護(hù)的數(shù)據(jù)線路或I/O引腳上安裝額定電壓為8kV的ESD器件并不能保證在系統(tǒng)測試時芯片集本身會通過8kV的電壓。

　　通常，ESD器件本身不會提供充足的保護(hù)，從而導(dǎo)致芯片集過早損壞。本白皮書提供了幾點(diǎn)指導(dǎo)意見，設(shè)計者可以用它來加強(qiáng)板上ESD保護(hù)。

　　器件布置與布局

　　器件位置和布局對于讓ESD保護(hù)器發(fā)揮最大效用具有至關(guān)重要的作用。為此，設(shè)計者最好了解各種寄生電感的板級效應(yīng)。還特別介紹了電感，因?yàn)?kV ESD(即30A)時，僅1nH的電感就會通過關(guān)聯(lián)在PCB跡線上產(chǎn)生30V的尖峰電壓。

　　在決定ESD器件布局時，應(yīng)該考慮4種寄生電感，即LESD、LGND、LIC和LPORT，其位置如圖2所示。

　　圖2

　　LESD和LGND能夠提高箝位電壓(或VIC)，而LIC和LPORT則對設(shè)計者有利。我們先介紹這2種有害電感。

　　LESD和LGND

　　有時，電路板布局不允許將ESD器件直接安裝在PCB跡線上面。原因各異，但即使將ESD元件安裝在距離受保護(hù)數(shù)據(jù)線路1厘米遠(yuǎn)的地方也可能會迅速轉(zhuǎn)化為幾十伏的電壓。GND總線也一樣。在某些設(shè)計中，ESD器件的GND必須穿過幾個通孔，甚至采用迂回路線到達(dá)接地面。除了流經(jīng)ESD器件的ESD電流產(chǎn)生的電壓以外，這兩種電感還會產(chǎn)生電壓尖脈沖(即IPEAK×RDYNAMIC)。

　　下述簡例說明了LESD和LGND對VIC的影響。在介紹該實(shí)例之前，應(yīng)該指出的是，常見的PCB生產(chǎn)工藝為典型的微帶跡線提供了約3nH/cm的電感(假定具有一定的寬度、厚度和介電常數(shù))。

　　考慮到這一點(diǎn)，我們假設(shè)具有8kV ESD脈沖和動態(tài)電阻為1Ω的ESD器件。并且，我們來看看2種不同的布局，即布局A和布局B，其中LESD=LGND=1.5nH(各0.5cm)，LESD=LGND=3.0nH(各1.0cm)。

　　圖3

　　因此，只需要將跡線長度(即LESD和LGND)從0.5cm增加到1cm就可以讓將VIC提高75%。圖3介紹布局B以及與各個元件有關(guān)的電壓。

　　LIC和LPORT

　　很多ESD器件數(shù)據(jù)手冊中經(jīng)常提到讓器件盡可能靠近ESD輸入點(diǎn)。這樣LPORT/LIC比就會盡可能得低(即LIC>>LPORT)。LPORT的電感未必會影響整體的ESD性能，但LIC的電感則肯定會影響ESD性能。

　　LIC的非線性會通過大幅削減IC電壓來充當(dāng)ESD脈沖的初始峰值電流的緩沖器。隨著電感的降低(即ESD器件越來越靠近IC)，電壓降也會不斷減小，直到無法獲得任何優(yōu)勢時為止。所以，將LPORT/LIC比降至最低以便利用PCB跡線的寄生特性對設(shè)計者最有利。我們所說的電壓降如圖4所示。

　　圖4

　　利用LIC和LPORT是提升整體ESD性能的直接方法。然而，無論上述比值有多小，仍然有設(shè)計會過早地出現(xiàn)故障。換句話說，LIC未能為峰值ESD電流提供充足的緩沖。

　　有時候，采用先前的技術(shù)不足以為給定電路板設(shè)計提供最大限度的ESD保護(hù)。原因在于流經(jīng)“片上”ESD結(jié)構(gòu)的電流過多，并且在I/O短接至GND或VCC時被損壞。

　　圖5有助于將它弄清楚，表明ESD器件和受保護(hù)的IC實(shí)際上共同承擔(dān)了來自于ESD脈沖的電流負(fù)載。該數(shù)值(負(fù)跡線電感)對應(yīng)于正ESD脈沖，其中保護(hù)器件吸收了大多數(shù)電流，但是它本質(zhì)上是一個帶有IC的電阻分壓器。

　　圖5

　　如圖5所示，IC上的軌對軌二極管負(fù)責(zé)將剩余的或“允通”電流導(dǎo)入VCC(它一般會通過旁路電容器回到GND)。很難確定什么樣的等效電阻適于為IC實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)，但是無疑比板上ESD器件高得多。

　　例如，如果將10Ω的電阻用于實(shí)現(xiàn)片上保護(hù)(RCHIP)，1Ω的RDYNAMIC用于外部ESD保護(hù)器，那么流經(jīng)IC的峰值電流應(yīng)該是：

　　為了幫助降低流入IC的峰值電流，可以將電阻器串聯(lián)在外部ESD器件和IC之間，如圖6所示。

　　圖6

　　通過增加10Ω的緩沖電阻，就可以將流入IC的峰值電流降低約50%(如本例)。

　　很顯然，電阻可以增加10Ω以上，從而進(jìn)一步降低了允通電流。通常，最高電阻由應(yīng)用要素決定。

　　還應(yīng)注意，在將這種技術(shù)用于高速應(yīng)用(如HDMITM和USB3.0)時更要小心。RBUFFER電阻器會干擾線路阻抗，使信號衰減的程度超出了2種標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性規(guī)范所規(guī)定的范圍，但是精心的電路板設(shè)計可以抵消任何不良影響。盡管如此，電路板設(shè)計者還是應(yīng)該將這種技術(shù)保存在工具箱內(nèi)，并在電路板或在系統(tǒng)ESD等級降至要求以下時使用。

　　結(jié)論

　　如今，現(xiàn)代芯片集對ESD瞬變導(dǎo)致的損壞比以往任何時候都更敏感。由于小型工藝技術(shù)的原因，這些IC需要穩(wěn)定的外部ESD解決方案以便經(jīng)受住在系統(tǒng)ESD測試的考驗(yàn)。

　　本文介紹了4種電路板設(shè)計者可以用來優(yōu)化ESD解決方案的策略或規(guī)程。

　　1. 縮短寄生“截斷”跡線的長度或LESD。

　　2. 縮短GND跡線長度和/或減少使用的通孔數(shù)量以便縮短LGND。

　　3. 讓特定設(shè)計上的LIC/LPORT比盡可能地小。

　　4. 如果1Ω-3Ω的電阻不夠，則在ESD器件和IC直接添加緩沖電阻器。

　　所有這些方法均旨在降低流經(jīng)IC的電壓，以及限制片上ESD結(jié)構(gòu)必須處理的電流。按照這些簡單規(guī)則行事能夠?yàn)殡娐钒逶O(shè)計者提供更穩(wěn)定、超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的ESD解決方案。

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