无线设计的ESD防护..docVIP

无线设计的ESD防护上网时间：1998年11月 静电放电(ESD)是静态电能不受控制的突然释放过程。这种电能释放能够损坏敏感的集成电路，无线系统设计人员必须要了解ESD。 无线系统制造商正在制定更严格的ESD规范，使电路板设计者的任务更加艰巨。现有各种不同的ESD标准，使设计工作更加复杂。我们考虑两个最通用的国际标准：人体模型HBM(human body model)和IEC1000-4-2。第一个标准模拟接触条件，应用于器件；第二个标准用于系统级的ESD防护。 无线设计的ESD防护面临着特殊的挑战，静电防护有多种技术，各有优缺点。然而，对无线设计，性能、电路空间、重量、功耗和成本都倾向于使用集成二极管防护网络。 进一步，我们将讨论如何应用二极管网络，获得最佳的ESD防护性能。最佳性能与电路板的布局密切相关，确保ESD电流进入防护器件，不损坏敏感的集成电路。此外，使用二极管防护网络要注意系统的节电(power-down)问题。最后，还没有一种简单的方法把器件的ESD静电防护性能与系统的防护性能相联系，但规定保护器件的钳位电压，是两者相连的有效方法。 ESD标准 HBM ESD测试通常用于集成电路，而IEC1000定义了系统的ESD测试，两者都采用电容通过限流电阻的放电ESD模型(图1)，差别是器件值的大小。对HBM，电容值是100pF，限流电阻是1500Ω。注意，对于同样的ESD电压，IEC1000的峰值放电电流比HBM的几乎高5倍。进一步，IEC1000采用接触放电及空气放电的方法对设备进行测试。标准定义接触放电的ESD电压为2kV至8kV，空气接触的可达15kV。注意IEC1000规定的电流上升时间小于1ns，需要防护器件的响应非常快(图2)。基于同一原因，电路板布局对实现系统的ESD防护非常关键。 防护方法 如果要满足IEC1000-4-2的ESD防护要求，无线通信设备需要适当的保护。用户接触的区域，如按键和I/O口易于受到ESD影响，因此需要保护。一种简单技术就是把电容放置于通信线来吸收ESD脉冲，它减低了信号速率，增加了驱动电流消耗。可以在板上采用放电器(spark gap)，放电器设计保证在ESD脉冲过程熔断，电流被分流引入大地。然而这种技术占用较大的空间面积，老化后导致ESD防护不可靠。MOV(metal oxide varistor)器件在高压时可以断开，可使用在响应时间较慢的应用中。然而，笨重与大电容使它们不适合防护信号线，另外的缺点是其老化特性。 对于Zener二极管，尽管能够钳制给定电压下的大电流，但它产生有防护信号线不需要的寄生电容。相比之下，连接地和电源端的快速、低容二极管是个很好的方案。它们可以处理大的峰值电流，具有很小的反向泄漏电流，可以抗多次ESD冲击而不损坏；它成功地把ESD脉冲从敏感保护器件引开，具有很长的寿命。然而，每一防护线需要一个二极管对。尽管每个器件的价格很低，总的安装成本和所需的空间使分离方案不适合。 例如，防护IEEE-1284并行口需要17个二极管对。在单个封装中集成不同数量的二极管对，可产生一个最佳性能价格比的方案。 集成二极管防护网络 二极管阵的ESD防护原理非常简单，一个与电源和地相连的二极管对加在被防护的信号线上。正常工作其间，这些二极管是反向偏置，但当信号线的电压分别高于或低于对应端的电压时，产生正向偏置。正向偏置发生在ESD脉冲过程，这时二极管把电流引入电源或地端上，离开被防护的器件，被防护器件只受很小的电压和电流冲击。 由于集成电路I/O管脚设计都能经受2kV的HBM ESD电压，被防护器件能经受住这个能量，然而这对外部二极管网络提出了更严格的要求。根据IEC1000-4-2的方法，这些网络需要抵抗8kV的“接触放电”。进一步，它还需要钳制其后面的电压，以使集成电路或其它无源器件不受损坏。最后，为了不降低信号的性能，二极管对的总电容应小于5pF。 由于无线应用通常需要很小的管脚封装，防护器件必须采用SOT、MSOP和QSOP封装，相比分离方案更具竞争性(图3)。 优化ESD防护必须注意电路板的设计安装。首先，尽可能地减小ESD脉冲进入点与二极管保护网络之间的寄生电感(图4)，寄生电感将抗拒ESD脉冲电流的快速变化，使进入二极管网络的ESD电流流入被防护的器件。对此，设计者应该把二极管网络放置在电感与被防护器件之间，这在两个方面改善了ESD防护性能：电感抗拒了电流的快速变化，并在时间上扩展，降低了峰值电流；ESD脉冲被强制先通过二极管网络，进入后面器件的只有很少一部分脉冲。 其次，应避免电源端上的电感。如果在网络与旁路电容之间存在大电感的话，网络将不能泄漏ESD脉冲。导致很高电压、快速上升ESD脉冲进入后面器件(图5)