I/O端口的ESD保護(hù)

本應(yīng)用筆記描述了ESD如何威脅電子系統(tǒng)、造成的損壞類型、ESD的產(chǎn)生方式、使用的測(cè)試方法和波形、用于測(cè)試的人體和機(jī)器模型、IEC合規(guī)性水平、接觸和空氣放電。本文介紹了保護(hù)方法，詳細(xì)介紹了Maxim的ESD保護(hù)方法。給出了選擇具有高ESD電阻的IC的指南。RS-232 I/O 端口是專門考慮的。

當(dāng)有人更換電纜甚至觸摸I / O端口時(shí)，靜電放電（ESD）可能會(huì)威脅到電子系統(tǒng)。伴隨這些常規(guī)事件的放電可能會(huì)破壞端口的一個(gè)或多個(gè)接口 IC，從而禁用端口（圖 1）。此類故障也可能代價(jià)高昂——它們提高了保修維修的成本，同時(shí)降低了產(chǎn)品的感知質(zhì)量。

圖1.ESD保護(hù)不足的IC容易發(fā)生災(zāi)難性故障，包括鈍化破裂、電熱遷移、鋁濺射、觸點(diǎn)尖峰和介電故障。

ESD還有另一種造成麻煩的方式。制造商可能很快就會(huì)被禁止向歐洲共同體銷售產(chǎn)品，除非他們的設(shè)備達(dá)到最低水平的ESD性能。這兩個(gè)因素，加上計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)相關(guān)設(shè)備之間的電氣通信量不斷增加，強(qiáng)調(diào)了工程師了解ESD的必要性。

要正確理解ESD，不僅需要了解所涉及的電壓電平，還需要了解電壓和電流波形、IC保護(hù)結(jié)構(gòu)、測(cè)試方法和應(yīng)用電路。以下各節(jié)將討論這些事項(xiàng)。

靜電放電生成

當(dāng)兩種不同的材料聚集在一起，轉(zhuǎn)移電荷并分開，在它們之間產(chǎn)生電壓時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)靜電荷。例如，在帶有皮革鞋底的地毯上行走會(huì)產(chǎn)生高達(dá)25kV的電壓。感應(yīng)靜電電壓的水平取決于地毯和鞋皮之間的相對(duì)電荷親和力、濕度和其他因素。

摩擦電系列（表1）描述了各種材料之間的這種電荷親和力。當(dāng)列表中的任何兩個(gè)項(xiàng)目接觸時(shí)，就會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。系列中較高的材料獲得正電荷，而系列中較低的材料獲得負(fù)電荷。1對(duì)于列表中相距較遠(yuǎn)的項(xiàng)目，凈電荷和產(chǎn)生的靜電電壓更大。

表 1.摩擦電系列

靜電測(cè)試方法

測(cè)試集成電路的ESD敏感性通常有兩種方法。最古老的MIL-STD-883方法3015.7是為了幫助理解封裝和處理IC所需的預(yù)防措施而開發(fā)的。該方法針對(duì)其他引腳組測(cè)試每個(gè)封裝引腳，并根據(jù)發(fā)生故障的最低電壓對(duì)器件進(jìn)行分類。

本測(cè)試中施加的信號(hào)是從稱為人體模型（圖2）的電路得出的電流波形，該電路模擬人體的典型電容和源阻抗。（電路布局至關(guān)重要，因?yàn)镮C上傳輸?shù)膶?shí)際波形還取決于與測(cè)試連接和印刷電路板相關(guān)的寄生電感和電容。由此產(chǎn)生的電流波形表示人接觸物體（例如IC）時(shí)發(fā)生的ESD。

圖2.如圖所示，替換不同的組件值會(huì)產(chǎn)生稱為人體模型、機(jī)器模型和 IEC 1000-4-2 模型（人體手持金屬物體）的放電電路。

另一種方法與上述方法的區(qū)別僅在于R和C的值，由日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIAJ）開發(fā)。它被稱為IC-121，基于稱為機(jī)器模型（圖2）的電路，它施加類似于IC與其處理機(jī)械接觸時(shí)產(chǎn)生的電流波形。通過模擬積聚在運(yùn)動(dòng)部件上的電荷引起的ESD事件，波形模擬機(jī)器裝配過程中看到的靜電放電。

這兩種方法是互補(bǔ)的，因此您不應(yīng)該選擇其中一種。由于ESD會(huì)在制造過程中、印刷電路板組裝過程中以及最終產(chǎn)品投入使用后影響IC，因此基于人體模型和機(jī)器模型的測(cè)試可以充分保證IC對(duì)制造和插入的嚴(yán)格要求。

一些IC的引腳通過連接器暴露在外界，即使安裝在外殼內(nèi)的印刷電路板上，也可能遇到ESD。對(duì)于連接到電路板電路的其他引腳，ESD暴露的可能性較小。對(duì)于這類IC，方法3015.7（測(cè)試引腳組合）等測(cè)試方法不能充分表示輸入/輸出（I/O）引腳的ESD敏感性。

兩者都根據(jù)任何引腳方法的最低電壓故障提供額定值，這種方法可能無(wú)法滿足I/O引腳（某些制造商提供）所需的更高水平的內(nèi)部ESD保護(hù)。例如，器件可能具有可承受 ±15kV 的 I/O 引腳，以及±2kV 時(shí)失效的非 I/O 引腳。使用上述方法，器件的ESD額定值將小于±2kV。不過，幸運(yùn)的是，現(xiàn)在有更好的測(cè)試方法可用于評(píng)估I/O引腳。

針對(duì) I/O 端口的新 ESD 測(cè)試

I/O 端口允許與其他設(shè)備通信。IC 的 I/O 端口由邏輯引腳組組成，用于訪問包含 IC 的系統(tǒng)外部的設(shè)備。當(dāng)操作員從系統(tǒng)中連接和斷開電纜時(shí)，這些引腳會(huì)受到靜電放電和其他濫用。對(duì)于RS-232或RS-485接口IC的I/O引腳，ESD敏感性的理想測(cè)試方法應(yīng)：

僅以模擬實(shí)際設(shè)備中ESD事件暴露的方式測(cè)試I/O引腳。

應(yīng)用模擬人體產(chǎn)生的靜電放電的測(cè)試波形。不同的電路型號(hào)指定不同的幅度、上升/下降時(shí)間和傳輸功率值。

在接通和不通電的情況下測(cè)試IC。

定義IC故障以包括閂鎖（瞬間失控）以及災(zāi)難性或參數(shù)故障。閂鎖被認(rèn)為是一種故障機(jī)制，因?yàn)槿绻槐话l(fā)現(xiàn)，可能會(huì)導(dǎo)致可靠性問題和系統(tǒng)故障。

設(shè)備制造商越來(lái)越多地使用兩種方法（均符合所列要求）來(lái)測(cè)試I/O端口的ESD敏感性。第一個(gè)是對(duì)方法 3015.7 MIL-STD-883 的修改。它使用與原始方法相同的電路模型和波形，但僅將ESD脈沖應(yīng)用于器件的I/O引腳。其目的是模擬安裝在電路板上并在目標(biāo)系統(tǒng)中運(yùn)行的IC看到的故障電流。波形（圖3）由圖2的測(cè)試電路使用與方法3015.7中最初指定的相同元件值生成。

圖3.該ESD波形的參數(shù)（上升時(shí)間、峰值電流、振鈴和衰減時(shí)間）在MIL-STD-883方法3015.7中指定。

與原始方法3015.7一樣，修改后的方法僅定義了ESD波形和故障標(biāo)準(zhǔn)：暴露于波形后，故障IC必須出現(xiàn)閂鎖或不符合一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格。修改后的方法在測(cè)試期間沒有規(guī)定IC的特定工作模式，但Maxim建議執(zhí)行所有可能的模式：電源開/關(guān)、發(fā)送器輸出高/低、待機(jī)/正常工作等。

同樣，修改后的方法3015.7不會(huì)強(qiáng)制產(chǎn)品承受特定水平的ESD;它只定義了保護(hù)等級(jí)。然而，Maxim的新型收發(fā)器通常提供±15kV的保護(hù)等級(jí)（表2和表3）。此級(jí)別允許一些用戶消除昂貴的 TransZorbs?;和其他外部保護(hù)電路。

IEC 1000-4-2 型號(hào)

測(cè)試包含I/O引腳的IC的第二種更嚴(yán)格的方法是IEC 1000-4-2。該設(shè)備級(jí)測(cè)試由國(guó)際電工委員會(huì)開發(fā)。最初打算作為在歐洲銷售的設(shè)備驗(yàn)收條件，它在美國(guó)和日本也迅速被接受為標(biāo)準(zhǔn)ESD標(biāo)準(zhǔn)。雖然最初不是作為IC規(guī)范，但現(xiàn)在它作為IC的ESD測(cè)試具有額外的作用。與對(duì) 3015.7 的修改一樣，它只測(cè)試 I/O 引腳。

IEC 1000-4-2的模型也是圖2所示的電路，但元件值不同。電阻R2（330Ω）代表人拿著螺絲刀或其他金屬物體，C1（150pF）代表人體電容的另一種估計(jì)值。該電路產(chǎn)生的電流波形（圖4）的上升時(shí)間比方法3015.7產(chǎn)生的電流波形更陡峭。

圖4.此ESD波形的參數(shù)（上升時(shí)間、峰值電流、30ns幅度和60ns幅度）由IEC 1000-4-2規(guī)定。

IEC 1000-4-2 規(guī)定了通過接觸放電和空氣放電進(jìn)行 ESD 測(cè)試。實(shí)際接觸引起的ESD事件更可重復(fù)，但不太真實(shí)，空氣放電更真實(shí)，但波形形狀差異很大——取決于溫度、濕度、氣壓、IC和電極之間的距離以及接近IC引腳的速率的變化。（這種形狀的變化會(huì)對(duì)測(cè)得的ESD容差水平產(chǎn)生重大影響。

IEC 1000-4-2根據(jù)I/O引腳承受的最低最大電壓定義了四個(gè)一致性級(jí)別（表4）。該表定義了接觸放電和空氣放電的這些水平。

表 4.IEC 1000-4-2 合規(guī)等級(jí)

接觸還是空氣放電？

根據(jù)IEC 1000-4-2測(cè)試IC的ESD耐用性需要使用ESD“槍”，該噴槍允許使用接觸放電或空氣放電進(jìn)行測(cè)試。接觸放電要求噴槍和I/O引腳之間有物理接觸，然后才能通過噴槍內(nèi)部的開關(guān)施加測(cè)試電壓。空氣放電要求噴槍在接近 I/O 引腳之前（從垂直方向盡快）用測(cè)試電壓充電。第二種技術(shù)在距離測(cè)試單元的某個(gè)臨界距離處產(chǎn)生火花。

空氣放電產(chǎn)生的ESD類似于實(shí)際的ESD事件。但是，與實(shí)際的ESD一樣，空氣放電的種類并不容易復(fù)制。它取決于許多不容易控制的變量。因此，為了證明重復(fù)性在測(cè)試中的普遍重要性，IEC 1000-4-2建議接觸放電，而修改后的3015.7方法僅要求接觸放電。在任何一種情況下，測(cè)試程序都要求在每個(gè)測(cè)試級(jí)別至少放電 10 次。

剛才討論的兩個(gè)ESD標(biāo)準(zhǔn)（改進(jìn)的3015.7方法和IEC 1000-4-2的空氣或接觸放電版本）之間的主要區(qū)別在于它們?cè)诒粶y(cè)器件中產(chǎn)生的峰值電流。不同的元件值會(huì)導(dǎo)致這些峰值電流相差大于5的系數(shù)（表1000）。由于峰值電流會(huì)產(chǎn)生IC必須耗散的不需要的功率，因此IEC 4-2-<>通常是要求更高的ESD測(cè)試方法。

表 5.ESD 電流與模型和施加電壓的關(guān)系

高電流會(huì)以多種方式損壞 IC：

局部供暖過度

熔化硅

尖峰結(jié)，由將鋁溶解在硅中的短路引起（圖 5）

損壞的金屬線

由于電壓過高而導(dǎo)致柵極氧化故障

電熱遷移導(dǎo)致的晶體管損壞（圖 6）

圖5.IC中的高ESD電流可以通過將鋁觸點(diǎn)部分溶解在硅中來(lái)“尖峰”結(jié)，從而導(dǎo)致下面的層永久短路。

圖6.IC中的電熱遷移（ETM）可能會(huì)在發(fā)生ESD事件時(shí)為損壞奠定基礎(chǔ)。由此產(chǎn)生的高電流和高電壓會(huì)導(dǎo)致晶體管端子之間的短路或低阻抗路徑。

保護(hù)方法

為了防止ESD，設(shè)計(jì)人員可以在外部添加保護(hù)，也可以選擇內(nèi)置高保護(hù)級(jí)別的IC。保護(hù)電路包括金屬氧化物壓敏電阻和硅雪崩抑制器，如TransZorb。這些設(shè)備有效但價(jià)格昂貴（硅雪崩保護(hù)器每條生產(chǎn)線的成本高達(dá)0.30美元）。外部ESD保護(hù)還會(huì)消耗寶貴的電路板面積，并增加I/O線路的電容。

為了克服這些限制，制造商一再提高其IC的ESD保護(hù)水平。例如，Maxim現(xiàn)在為RS-15 IC提供±232kV保護(hù)，無(wú)論是根據(jù)IEC 1000-4-2還是人體模型進(jìn)行測(cè)試。

Maxim的ESD保護(hù)方法

ESD電流波形的特點(diǎn)是上升時(shí)間極快，因此其通過IC的進(jìn)度受到電路分布寄生阻抗的強(qiáng)烈影響。因此，注意外部布局將確保IC的內(nèi)部保護(hù)網(wǎng)絡(luò)具有最佳性能。Maxim建議對(duì)其接口IC采用以下做法：

遵循標(biāo)準(zhǔn)的模擬布局技術(shù)，將所有旁路和電荷泵電容盡可能靠近IC放置。

在印刷電路板上包括一個(gè)接地層。

將走線電感和電容降至最低。

將 IC 放置在盡可能靠近 I/O 端口的位置。

為了表征RS-232收發(fā)器或其他接口IC在存在ESD時(shí)的可靠性，Maxim建議使用改進(jìn)的3015.7方法和IEC 1000-4-2型號(hào)，每種情況下都遵循類似的程序：以200V的增量逐步穿過指定的ESD范圍，在每個(gè)電平上，每個(gè)極性電壓對(duì)器件進(jìn)行10次打擊， 大約每秒一次。

由于這些測(cè)試的目的是評(píng)估安裝在終端設(shè)備中的IC的ESD性能，因此測(cè)試設(shè)置應(yīng)使ESD電流沿著與該設(shè)備中相同的路徑流動(dòng)。應(yīng)針對(duì)IC的接地引腳進(jìn)行Zaps。（如IEC 1000-4-2中所述，電路接地通常連接到設(shè)備機(jī)箱。Maxim推薦使用Schaffner Instruments（瑞士）的NSG 435型ESD噴槍用于IEC 1000-4-2方法，并推薦IMCS（Oryx Technology Corporation，加利福尼亞州弗里蒙特的一個(gè)部門）的4000型ESD測(cè)試儀用于改進(jìn)的3015.7方法。

您應(yīng)該通過在每個(gè) zap 之后監(jiān)視三個(gè)參數(shù)來(lái)檢查故障。首先，電源電流應(yīng)保持恒定（增加可能表示閂鎖或內(nèi)部損壞）。其次，變送器輸出電壓應(yīng)繼續(xù)滿足RS-5傳輸?shù)淖畹汀?32V電平。第三，接收器輸入電阻應(yīng)保持在3kΩ至7kΩ之間（理想情況下，應(yīng)保持在該范圍內(nèi)的恒定水平）。請(qǐng)務(wù)必在所有模式下對(duì)設(shè)備進(jìn)行 zap 和測(cè)試：正常運(yùn)行、關(guān)機(jī)、關(guān)機(jī)、發(fā)射器高/低等。

高抗ESDIC的選擇指南

在選擇必須承受高水平ESD的IC（特別是RS-232收發(fā)器）之前，需要解決以下一些問題：

IC保證承受什么級(jí)別的ESD電壓，該水平是通過什么測(cè)試方法建立的？不同的測(cè)試方法產(chǎn)生不同的額定電壓。目前，推薦的方法包括IEC 1000-4-2和修改后的3015.7方法。

ESD會(huì)導(dǎo)致IC閂鎖嗎？ 閂鎖是一個(gè)關(guān)鍵問題。如果ESD導(dǎo)致電路閂鎖，IC可能會(huì)停止工作。由此產(chǎn)生的電源電流（高達(dá)1A）可能會(huì)損壞IC。

IC的ESD保護(hù)是否會(huì)影響正常工作？如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，正常運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部保護(hù)結(jié)構(gòu)閂鎖。

使用IC時(shí)必須遵守特殊預(yù)防措施嗎？雙極IC可能需要昂貴的低ESR電容或具有低交流阻抗的接地層。最好在一開始就了解這些要求。

IC的最大額定壓擺率是多少？由于其ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)而易受閂鎖影響的IC，可能會(huì)指定異常低的最大壓擺率，以避免觸發(fā)閂鎖條件。

IC如何響應(yīng)覆蓋保證電壓保護(hù)的整個(gè)范圍的ESD測(cè)試？ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的觸發(fā)機(jī)制可以在不同的電壓范圍內(nèi)啟動(dòng)，使打開的“窗口”沒有保護(hù)。（例如，這樣的設(shè)備可以承受±10kV，但在±5kV時(shí)失效。Maxim建議ESD測(cè)試以200V為增量覆蓋整個(gè)范圍。

審核編輯：郭婷