ESD器件的工作原理？CMOS I/O上的內(nèi)部ESD保護(hù)實(shí)現(xiàn)

ESD器件的工作原理

靜電保護(hù)器件（ESD） 是由一個(gè)或多個(gè) TVS 晶粒采用不同的電路拓?fù)渲瞥删哂刑囟üδ艿亩嗦坊騿温?ESD 保護(hù)器件。ESD反向并聯(lián)于電路中，當(dāng)電路正常工作時(shí)，ESD處于截止?fàn)顟B(tài)（高阻態(tài)），不影響電路正常工作。

當(dāng)電路出現(xiàn)異常過電壓并達(dá)到 ESD 的擊穿電壓時(shí)，ESD迅速由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，泄放由異常過電壓導(dǎo)致的瞬時(shí)過電流到地，同時(shí)把異常過電壓鉗制在一個(gè)安全水平之內(nèi)，從而保護(hù)后級(jí)電路免遭異常過電壓的損壞。

圖 ESD保護(hù)原理

ESD的電路符號(hào)和極性

ESD的電路符號(hào)和TVS可以畫成一樣的，因?yàn)橛玫淖疃嗟腅SD都是硅材質(zhì)的，電路符號(hào)如下：

單向TVS

雙向TVS

ESD器件的參數(shù)說明

*VRWM（Reverse stand-off voltage）：反向截止電壓

即允許施加的最大工作電壓，在該電壓下ESD 處于截止?fàn)顟B(tài)，ESD 的漏電流很小，為幾微安甚至更低。

*VBR（Reverse breakdown voltage）：反向擊穿電壓

ESD 要開始動(dòng)作（雪崩擊穿）的電壓，一般在規(guī)定的電流下測量，通常在大小為1mA 的電流下測量。

*IR（Reverse leakage current）：反向漏電流

即在ESD 器件兩端施加VRWM 電壓下測得ESD 的漏電流。

*IPP（Peak pulse current）：峰值脈沖電流

ESD 產(chǎn)品一般采用8/20μs 的波形測量。

*VC（Clamping voltage）：鉗位電壓

在給定大小的IPP 下測得ESD 兩端的電壓。大部分ESD 產(chǎn)品VC 與VBR 及IPP 成正比關(guān)系，電流越大，鉗位電壓也越高。

*C j（Off state junction capacitance）：結(jié)電容

結(jié)電容與芯片面積、工作電壓有關(guān)系。相同電壓下，芯片面積越大結(jié)電容越大。相同芯片面積下，工作電壓越高結(jié)電容越低。

CMOS I/O上的內(nèi)部ESD保護(hù)

內(nèi)置保護(hù)在CMOS I/O引腳上非常常見，這些引腳可能是器件的一部分(從簡單的負(fù)載開關(guān)到中等復(fù)雜性的微控制器，再到高復(fù)雜性的FPGA)。它們通常為每個(gè) I/O 引腳兩個(gè)。一個(gè)連接在引腳和GND之間，一個(gè)連接在引腳和VCC之間。兩者在正常工作條件下均為反向偏置(GND<=VI/O<=VCC)。

CMOS數(shù)字I/O引腳示意圖，突出顯示了許多設(shè)計(jì)中普遍存在的內(nèi)部保護(hù)二極管(即使IC數(shù)據(jù)手冊中沒有提到它們)。

它們用于在引腳發(fā)生故障時(shí)保護(hù)敏感的CMOS邏輯。如果VI/O 上的電壓高于 VCC(例如，正 ESD 電壓尖峰)，則頂部二極管導(dǎo)通，將引腳上的電壓箝位至不超過VCC+Vf。同樣，如果VI/O上的電壓降至VGND以下(例如，負(fù)ESD電壓尖峰)，則底部二極管導(dǎo)通，將引腳上的電壓箝位至不超過?Vf。

要小心，因?yàn)檫@些二極管通常具有相當(dāng)?shù)偷淖畲箅娏?。超過此最大電流將吹動(dòng)ESD二極管，通常導(dǎo)致其開路，從而消除了敏感CMOS電路的保護(hù)，然后幾乎瞬間被油炸。然后，您的 I/O 引腳將停止工作。如果幸運(yùn)的話，它只會(huì)是一個(gè)受影響的引腳。如果沒有，整個(gè)端口(如果適用)，甚至整個(gè)設(shè)備都會(huì)被失效。

無論它們多么有用，它們也會(huì)在特定情況下產(chǎn)生設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因此在進(jìn)行任何涉及CMOS I/O且存在ESD保護(hù)二極管的原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，都需要仔細(xì)考慮。導(dǎo)致問題的兩種情況是：為具有多個(gè)電壓軌的電路上電時(shí)。當(dāng)VI/O上的電壓在某些點(diǎn)上可能高于VCC時(shí)，由于輸入信號(hào)的性質(zhì)。在低功耗設(shè)計(jì)中，當(dāng)您有選擇地關(guān)斷為這些IC供電的電壓軌時(shí)。

常見ESD封裝

ESD根據(jù)保護(hù)信號(hào)線的路數(shù)，又可以分為：單路保護(hù)ESD、兩路保護(hù)ESD、四路保護(hù)ESD等，所以ESD的封裝形式也有各種類型。

ESD器件選型考慮事項(xiàng)與步驟

考慮事項(xiàng)：

底層邏輯：在不影響要保護(hù)的電路平時(shí)正常工作的情況下，還能在異常的過壓經(jīng)過的時(shí)候，把電壓降下來，達(dá)到保護(hù)后面的電路或者芯片的目的，同時(shí)保護(hù)器件本身還不能被打壞。

步驟：

1.計(jì)算接口信號(hào)幅值的范圍來確定ESD器件的工作電壓；

2.根據(jù)信號(hào)類型決定使用單向或者雙向ESD器件;

3.根據(jù)信號(hào)速率決定該接口能承受的最大寄生電容；

4.根據(jù)電路系統(tǒng)的最大承受電壓沖擊，選擇適合的鉗位電壓；

5.確保ESD器件可達(dá)到或超過IEC 61000-4-2 level4。