系統級ESD電路保護設計考慮因素

圖 3 雙向和單向 TVS

系統級 ESD 保護的關(guān)鍵器件參數

圖 4 顯示了 TVS 二極管電流與電壓特性的對比情況。盡管 TVS 是一種簡(jiǎn)單的結構，但是在系統級 ESD 保護設計過(guò)程中仍然需要注意幾個(gè)重要的參數。這些參數包括擊穿電壓 VBR、動(dòng)態(tài)電阻 RDYN、鉗位電壓 VCL 和電容。

圖 4 TVS 二極管電流與電壓的關(guān)系

擊穿電壓

正確選擇 TVS 的第一步是研究擊穿電壓 (VBR)。例如，如果受保護 I/O 線(xiàn)路的最大工作電壓 VRWM 為 5V，則在達到該最大電壓以前 TVS 不應進(jìn)入其擊穿區域。通常，TVS 產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)會(huì )包括具體漏電流的 VRWM，它讓我們能夠更加容易地選擇正確的 TVS。否則，我們可以選擇一個(gè) VBR(min) 大于受保護 I/O 線(xiàn)路 VRWM 幾伏的 TVS。

動(dòng)態(tài)電阻

ESD 是一種極速事件，也就是幾納秒的事情。在如此短的時(shí)間內，TVS 傳導接地通路不會(huì )立即建立起來(lái)，并且在通路中存在一定的電阻。這種電阻被稱(chēng)作動(dòng)態(tài)電阻 (RDYN)，如圖 5 所示。

圖 5 ESD 電流放電通路

理想情況下，RDYN 應為零，這樣 I/O 線(xiàn)路電壓才能盡可能地接近 VBR;但是，這是不可能的事情。RDYN 的最新工業(yè)標準值為 1 Ω 或者 1 Ω 以下。利用傳輸線(xiàn)路脈沖測量技術(shù)可以得到 RDYN。使用這種技術(shù)時(shí)，通過(guò) TVS 釋放電壓，然后測量相應的電流。在得到不同電壓的許多數據點(diǎn)以后，便可以繪制出如圖6一樣的 IV 曲線(xiàn)，而斜線(xiàn)便為 RDYN。圖 6 顯示了 TPD1E10B06 的 RDYN，其典型值為 ~0.3 Ω。

圖 6 TPD1E10B06 的 IV 特性

鉗位電壓

由于ESD是一種極速瞬態(tài)事件，I/O 線(xiàn)路的電壓不能立即得到箝制。如圖 7 所示，根據 IEC 61000-4-2 標準，數千伏電壓被箝制為數十伏。如方程式 1 所示，RDYN 越小，鉗位性能也就越好：

其中，IPP 為 ESD 事件期間的峰值脈沖電流，而 Iparasitic 為通過(guò) TVS 接地來(lái)自連接器的線(xiàn)路寄生電感。

圖 7 8Kv 接觸放電的 ESD 事件鉗位

把鉗位電壓波形下面的區域想像成能量。鉗位性能越好，受保護ESD敏感型器件在ESD事件中受到損壞的機率也就越小。由于鉗位電壓很小，一些TVS可承受IEC模型的8kV接觸式放電，但是“受保護”器件卻被損壞了。

電容

在正常工作狀態(tài)下，TVS為一個(gè)開(kāi)路，并具有寄生電容分流接地。設計人員應在信號鏈帶寬預算中考慮到這種電容。

結論

由于 IC 工藝技術(shù)節點(diǎn)變得越來(lái)越小，它也越來(lái)越容易受到 ESD 損壞的影響，不管是在制造過(guò)程還是在終端用戶(hù)使用環(huán)境下。器件級 ESD 保護并不足以在系統層面為 IC 提供保護。我們應在系統級設計中使用獨立 TVS。在選擇某個(gè) TVS 時(shí)，設計人員應注意一些重要參數，例如：VBR、RDYN、VCL 和電容等。