原理圖設(shè)計(jì)階段如何考慮靜電防護(hù)設(shè)計(jì)

大家都知道在設(shè)計(jì)階段解決問題的成本是最低，同樣道理在原理圖設(shè)計(jì)階段做好關(guān)鍵信號(hào)、敏感電路的防護(hù)設(shè)計(jì)可以達(dá)到事半功倍的效果，本期將與大家探討在原理圖的設(shè)計(jì)階段如何考慮靜電防護(hù)設(shè)計(jì)。

一、防護(hù)對(duì)象識(shí)別方法

1.1 根據(jù)應(yīng)用手冊(cè)識(shí)別防護(hù)對(duì)象

對(duì)于芯片級(jí)的防護(hù)對(duì)象識(shí)別應(yīng)根據(jù)原廠提供的應(yīng)用手冊(cè)，結(jié)合以往的使用經(jīng)驗(yàn)來識(shí)別敏感信號(hào)，或者說防護(hù)對(duì)象。

圖1：原廠應(yīng)用手冊(cè)(AP)防護(hù)設(shè)計(jì)說明

1.2 根據(jù)端口信號(hào)類型識(shí)別防護(hù)對(duì)象

根據(jù)靜電放電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求可知，外部端口根據(jù)其結(jié)構(gòu)類型分別需要做不同的靜電放電測(cè)試。所以針對(duì)外部互連端口在原理圖設(shè)計(jì)階段需要重點(diǎn)關(guān)注靜電放電防護(hù)設(shè)計(jì)，具體端口類型如下：

圖2：外部塑膠按鍵、屏蔽縫隙空氣放電測(cè)試

圖3：金屬端子外殼測(cè)試接觸放電、塑膠端子測(cè)試空氣放電

1.3 根據(jù)信號(hào)類型識(shí)別防護(hù)對(duì)象

除外部互連端口信號(hào)需要重點(diǎn)考慮靜電放電防護(hù)，系統(tǒng)內(nèi)部互連端口也需要重點(diǎn)考慮靜電放電防護(hù)之外，板內(nèi)的小信號(hào)、關(guān)鍵信號(hào)、敏感信號(hào)也需要重點(diǎn)考慮靜電放電防護(hù)。

板內(nèi)需要重點(diǎn)關(guān)注的防護(hù)信號(hào)如：復(fù)位信號(hào)、通訊信號(hào)、串行Flash通訊信號(hào)、敏感GPIO信號(hào)、模擬信號(hào)、高速差分信號(hào)等。

二、電路級(jí)ESD防護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)集成電路IC經(jīng)受靜電放電（ESD）時(shí)，放電回路電阻通常很小，無法限制放電電流，造成高達(dá)數(shù)十安培的瞬間放電尖峰電流，流入相應(yīng)的IC管腳，瞬間大電流會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷IC，甚至造成IC內(nèi)部燒毀。

當(dāng)集成電路IC經(jīng)受靜電放電（ESD）時(shí)的尖峰脈沖電壓時(shí)，會(huì)引起IC內(nèi)部死鎖；當(dāng)脈沖電壓超過內(nèi)部CMOS器件的擊穿電壓時(shí)，則會(huì)擊穿內(nèi)部半導(dǎo)體器件，導(dǎo)致IC內(nèi)部的集成電路損壞，失效。

根據(jù)集成電路損壞的機(jī)理，電路級(jí)ESD防護(hù)設(shè)計(jì)主要從靜電尖峰脈沖電壓鉗位、靜電電流限制、以及電壓鉗位與電流限制的雙重保護(hù)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行控制。

2.1 靜電尖峰脈沖電壓鉗位設(shè)計(jì)（ESD器件并聯(lián)）

圖4：并聯(lián)ESD器件進(jìn)行尖峰電壓鉗位

一是利用齊納二極管反向擊穿特性進(jìn)行ESD敏感器件保護(hù)。二是利用多層金屬氧化物具有非線性電壓-電流（阻抗曲線）關(guān)系進(jìn)行ESD敏感器件保護(hù)。三是利用氣體放電管擊穿氣體時(shí)的損耗來進(jìn)行ESD敏感器件保護(hù)。

2.1.1 高速差分信號(hào)ESD防護(hù)設(shè)計(jì)

在這里插入圖片描述

圖5：高速差分信號(hào)并聯(lián)ESD器件防護(hù)

設(shè)計(jì)要點(diǎn)說明：

我們知道高速差分信號(hào)需要使用低容值ESD器件，低容值ESD意味著PN結(jié)面積小，則相應(yīng)的通流量差，在差分信號(hào)線上串聯(lián)低阻值的電阻，可以有效減小靜電電流對(duì)芯片的沖擊，TVS管器件對(duì)脈沖型騷擾電壓起到很好的抑制效果，二者結(jié)合可以對(duì)后端芯片進(jìn)行有效的ESD防護(hù)。

2.1.2 低速信號(hào)ESD防護(hù)設(shè)計(jì)

圖6：模擬音視頻信號(hào)并聯(lián)ESD器件防護(hù)

設(shè)計(jì)要點(diǎn)說明：

低速信號(hào)ESD保護(hù)器件可選擇的范圍較寬，低電壓的ESD器件應(yīng)用較特殊，相對(duì)來說成本較高，低速信號(hào)還是建議在信號(hào)線上串聯(lián)電阻，可以低成本解決ESD保護(hù)問題。

2.2 靜電放電電流限制設(shè)計(jì)（串聯(lián)阻抗）

一般通過串聯(lián)電阻或者磁珠來限制ESD放電電流，達(dá)到靜電防護(hù)的目的。如GPIO信號(hào)、ADC信號(hào)、音視頻信號(hào)、串口、I2C信號(hào)等。電阻的效果通常會(huì)優(yōu)于磁珠的效果，磁珠通常在100MHz頻率以上阻抗較大，而電阻阻抗基本恒定。

圖7：串聯(lián)電阻限制靜電放電電流

2.3 增加濾波電路

2.3.1 RC濾波在ESD防護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

根據(jù)IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)給出的電流波形可知其高次諧波非常豐富，如果用濾波器濾掉主要的能量也能達(dá)到靜電防護(hù)的目的。對(duì)于低頻信號(hào)：如GPIO信號(hào)、ADC信號(hào)、音頻輸入信號(hào)可以用RC濾波電路，濾除靜電放電干擾。

審核編輯：湯梓紅