系统级 ESD 电路保护设计考虑因素

系统级 ESD 保护的关键器件参数

图 4 显示了 TVS 二极管电流与电压特性的对比情况。尽管 TVS 是一种简单的结构，但是在系统级 ESD 保护设计过程中仍然需要注意几个重要的参数。这些参数包括击穿电压 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关系

击穿电压

正确选择 TVS 的第一步是研究击穿电压 (VBR)。例如，如果受保护 I/O 线路的最大工作电压 VRWM 为 5V，则在达到该最大电压以前 TVS 不应进入其击穿区域。通常，TVS 产品说明书会包括具体漏电流的 VRWM，它让我们能够更加容易地选择正确的 TVS。否则，我们可以选择一个 VBR（min） 大于受保护 I/O 线路 VRWM 几伏的 TVS。

动态电阻

ESD 是一种极速事件，也就是几纳秒的事情。在如此短的时间内，TVS 传导接地通路不会立即建立起来，并且在通路中存在一定的电阻。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

理想情况下，RDYN 应为零，这样 I/O 线路电压才能尽可能地接近 VBR；但是，这是不可能的事情。RDYN 的最新工业标准值为 1 Ω 或者 1 Ω 以下。利用传输线路脉冲测量技术可以得到 RDYN。使用这种技术时，通过 TVS 释放电压，然后测量相应的电流。在得到不同电压的许多数据点以后，便可以绘制出如图6一样的 IV 曲线，而斜线便为 RDYN。图 6 显示了 TPD1E10B06 的 RDYN，其典型值为 ~0.3 Ω。


图 6 TPD1E10B06 的 IV 特性

钳位电压

由于ESD是一种极速瞬态事件，I/O 线路的电压不能立即得到箝制。如图 7 所示，根据 IEC 61000-4-2 标准，数千伏电压被箝制为数十伏。如方程式 1 所示，RDYN 越小，钳位性能也就越好：



其中，IPP 为 ESD 事件期间的峰值脉冲电流，而 Iparasitic 为通过 TVS 接地来自连接器的线路寄生电感。


图 7 8Kv 接触放电的 ESD 事件钳位

把钳位电压波形下面的区域想像成能量。钳位性能越好，受保护ESD敏感型器件在ESD事件中受到损坏的机率也就越小。由于钳位电压很小，一些TVS可承受IEC模型的8kV接触式放电，但是“受保护”器件却被损坏了。

电容

在正常工作状态下，TVS为一个开路，并具有寄生电容分流接地。设计人员应在信号链带宽预算中考虑到这种电容。

结论

由于 IC 工艺技术节点变得越来越小，它也越来越容易受到 ESD 损坏的影响，不管是在制造过程还是在终端用户使用环境下。器件级 ESD 保护并不足以在系统层面为 IC 提供保护。我们应在系统级设计中使用独立 TVS。在选择某个 TVS 时，设计人员应注意一些重要参数，例如：VBR、RDYN、VCL 和电容等。

参考文献
《系统级ESD/EMI保护设计指南》 www.ti.com/lit/SSZB130B

相关网站
ESD解决方案：http://www.ti.com.cn/product/cn/TPD1E10B06