导言
跟着技能的开展，移动电子设备已成为咱们日子和文明的重要组成部分。平板电脑和智能手机触摸技能的运用，让咱们能够与这些设备进行更多的互动。它构成了一个完好的静电放电 (ESD) 风险环境，即人体皮肤对设备产生的静电放电。例如，在运用消费类电子设备时，在用户手指和平板电脑 USB 或许 HDMI 接口之间会产生 ESD，然后对平板电脑产生不可逆的损坏，例如：峰值待机电流或许永久性体系失效。
本文将为您解说体系级 ESD 现象和器材级 ESD 现象之间的差异，并向您介绍一些供给 ESD 作业维护的体系级规划办法。
体系级ESD维护与器材级ESD维护的比照
IC 的 ESD 损坏可产生在任何时候，从安装到板级焊接，再到终端用户人机互动。ESD 相关损坏最早可追溯到半导体开展之初，但在 20 世纪 70 时代微芯片和薄栅氧化 FET 运用于高集成 IC 今后，它才成为一个遍及的问题。一切 IC 都有一些嵌入式器材级 ESD 结构，用于在制作阶段维护 IC 免受 ESD 作业的损坏。这些作业可由三个不同的器材级模型进行模仿：人体模型 (HBM)、机器模型 (MM) 和带电器材模型 (CDM)。HBM 用于模仿用户操作引起的 ESD 作业，MM 用于模仿主动操作引起的 ESD 作业，而 CDM 则模仿产品充电/放电所引起的 ESD 作业。这些模型都用于制作环境下的测验。在这种环境下，安装、终究测验和板级焊接作业均在受控 ESD 环境下完结，然后减小露出器材所接受的 ESD 应力。在制作环境下，IC 一般仅能接受 2-kV HBM 的 ESD 电击，而最近出台的小型器材静电规则更是低至 500V。
虽然在厂房受控 ESD 环境下器材级模型一般已满足，但在体系级测验中它们却差得很远。在终端用户环境下，电压和电流的ESD电击强度要高得多。因而，工业环境运用另一种办法进行体系级 ESD 测验，其由 IEC 61000-4-2 规范界说。器材级 HBM、MM和CDM 测验的意图都是确保 IC 在制作进程中不受损坏；IEC 61000-4-2规则的体系级测验用于模仿实际国际中的终端用户ESD作业。
IEC 规则了两种体系级测验：触摸放电和非触摸放电。运用触摸放电办法时，测验模仿器电极与受测器材 (DUT) 坚持触摸。非触摸放电时，模仿器的带电电极挨近 DUT，同 DUT 之间产生的火花促进放电。
表 1 列出了 IEC 61000-4-2 规范规则的每种办法的测验等级规模。请留意，两种办法的每种测验等级的放电强度并不相同。咱们一般在4级（每种办法的最高官方标称等级）以上对应力水平进行逐级测验，直到产生毛病点停止。
表 1 触摸放电和非触摸放电办法的测验电平
|
触摸式放电电平 |
测验电压 (±kV) |
非触摸式放电电平 |
测验电压(±kV) |
|
1 |
2 |
1 |
2 |
|
2 |
4 |
2 |
4 |
|
3 |
6 |
3 |
6 |
|
4 |
8 |
4 |
8 |
器材级模型和体系级模型有一些显着的差异，表 2 列出了这些差异。表 2 中最终三个参数（电流、上升时间和电击次数）需特别留意：
- 电流差关于 ESD 灵敏型器材是否能够接受一次 ESD 作业至关重要。因为强电流可引起结点损坏和栅氧化损坏，8-kV HBM 维护芯片（峰值电流5.33A）或许会因 2-kV IEC 模型电击（峰值电流 7.5A）而损坏。因而，体系规划人员不能把 HBM 额外值同 IEC 模型额外值混杂，这一点极为重要。
- 另一个差异存在于电压尖峰上升时间。HBM 的规则上升时间为 25ns。IEC 模型脉冲上升时间小于 1ns，其在开始 3ns 消耗掉大部分能量。假如 HBM 额外的器材需 25ns 来做出呼应，则在其维护电路激活曾经器材就已被损坏。
- 两种模型在测验期间所用的电击次数不同。HBM仅要求测验一次正电击和一次负电击，而 IEC 模型却要求 10 次正电击和 10 次负电击。或许呈现的状况是，器材能够接受第一次电击，但因为初度电击带来的损坏依然存在，其会在后续电击中失效。图 1 显现了 CDM、HBM 和 IEC 模型的 ESD 波形举例。很显着，比较一切器材级模型的脉冲，IEC 模型的脉冲携带了更多的能量。
表 2 器材级模型与 IEC 体系级模型比较
图 1 器材级和 IEC 模型的 ESD 波形
TVS 怎么维护体系免受 ESD 作业的危害
与 ESD 维护集成结构不同，IEC 61000-4-2 规范规则的模型一般会运用离散式独立瞬态电压按捺二极管，也即瞬态电压按捺器 (TVS)。比较电源办理或许微控制器单元中集成的 ESD 维护结构，独立 TVS 本钱更低，而且能够挨近体系 I/O 连接器放置，如图 2 所示。
图 2 体系级 TVS 布局
共有两种 TVS：双向和单向（参见图 3）。TI TPD1E10B06 便是一个双向 TVS比如，它能够放置在一条通用数据线路上，用于体系级 ESD 维护。正常作业状态下，双向和单向 TVS 都为一个开路，并在 ESD 作业产生时接地。在双向 TVS 状况下，只需 D1 和 D2 都不进入其击穿区域，I/O 线路电压信号会在接地电压上下摇摆。当 ESD 电击（正或许负）击中 I/O 线路时，一个二极管变为正向偏置，而另一个击穿，然后构成一条通路，ESD 能量当即沿这条通路接地。在单向 TVS 状况下，只需 D2 和 Z1 都不进入其击穿区域，则电压信号会在接地电压以上摇摆。当正ESD电击击中I/O线路时，D1变为正向偏置，而Z1 先于 D2 进入其击穿区域；经过 D1 和 Z1 构成一条接地通路，然后让 ESD 能量得到耗散。当产生负 ESD 作业时，D2 变为正向偏置，ESD能量经过 D2接地通路得到耗散。因为 D1 和 D2 尺度能够更小、寄生电容更少，单向二极管可用于许多高速运用；D1 和 D2 能够“躲藏”更大的齐纳二极管 Z1（大尺度的原因是处理击穿区域更多的电流）。
图 3 双向和单向 TVS
体系级 ESD 维护的要害器材参数
图 4 显现了 TVS 二极管电流与电压特性的比照状况。虽然 TVS 是一种简略的结构，可是在体系级 ESD 维护规划进程中依然需求留意几个重要的参数。这些参数包含击穿电压 VBR、动态电阻 RDYN、钳位电压 VCL 和电容。
图 4 TVS 二极管电流与电压的联系
击穿电压
正确挑选 TVS 的第一步是研讨击穿电压 (VBR)。例如，假如受维护 I/O 线路的最大作业电压 VRWM 为 5V，则在到达该最大电压曾经 TVS 不该进入其击穿区域。一般，TVS 产品阐明书会包含详细漏电流的 VRWM，它让咱们能够愈加简单地挑选正确的 TVS。不然，咱们能够挑选一个 VBR（min） 大于受维护 I/O 线路 VRWM 几伏的 TVS。
动态电阻
ESD 是一种极速作业，也便是几纳秒的作业。在如此短的时间内，TVS 传导接地通路不会当即建立起来，而且在通路中存在必定的电阻。这种电阻被称作动态电阻 (RDYN)，如图 5 所示。
图 5 ESD 电流放电通路
抱负状况下，RDYN 应为零，这样 I/O 线路电压才干尽或许地挨近 VBR；可是，这是不或许的作业。RDYN 的最新工业规范值为 1 Ω 或许 1 Ω 以下。运用传输线路脉冲丈量技能能够得到 RDYN。运用这种技能时，经过 TVS 开释电压，然后丈量相应的电流。在得到不同电压的许多数据点今后，便能够制作出如图6相同的 IV 曲线，而斜线便为 RDYN。图 6 显现了 TPD1E10B06 的 RDYN，其典型值为 ~0.3 Ω。
图 6 TPD1E10B06 的 IV 特性
钳位电压
因为ESD是一种极速瞬态作业，I/O 线路的电压不能当即得到箝制。如图 7 所示，依据 IEC 61000-4-2 规范，数千伏电压被箝制为数十伏。如方程式 1 所示，RDYN 越小，钳位功能也就越好：
其间，IPP 为 ESD 作业期间的峰值脉冲电流，而 Iparasitic 为经过 TVS 接地来自连接器的线路寄生电感。
图 7 8Kv 触摸放电的 ESD 作业钳位
把钳位电压波形下面的区域想像成能量。钳位功能越好，受维护ESD灵敏型器材在ESD作业中遭到损坏的机率也就越小。因为钳位电压很小，一些TVS可接受IEC模型的8kV触摸式放电，可是“受维护”器材却被损坏了。
在正常作业状态下，TVS为一个开路，并具有寄生电容分流接地。规划人员应在信号链带宽预算中考虑到这种电容。
定论
因为 IC 工艺技能节点变得越来越小，它也越来越简单遭到 ESD 损坏的影响，不管是在制作进程仍是在终端用户运用环境下。器材级 ESD 维护并不足以在体系层面为 %&&&&&% 供给维护。咱们应在体系级规划中运用独立 TVS。在挑选某个 TVS 时，规划人员应留意一些重要参数，例如：VBR、RDYN、VCL 和%&&&&&%等。
参考文献
《体系级ESD/EMI维护规划攻略》 www.ti.com/lit/SSZB130B
相关网站
ESD解决方案：http://www.ti.com.cn/product/cn/TPD1E10B06
当即参加德州仪器技能社区
