我们来看一看您可以会在data sheet中看到的ESD模型,第一个是人体模型,简称HBM,它模拟了在工厂环境中携带静电的人体触摸接地设备的过程。HBM的波形如绿线所示,值得一提的是HBM标准是为了衡量芯片能否在生产、组装和运输的过程中免受ESD的损害,并非适用于日常使用的场景。
第二个介绍的是带电装置模型,简称CDM,它模拟了一个带静电的器件接触电路的情景,CDM的模拟波形如蓝线所示,CDM会在小于20ns的时间内有一个非常高的电流脉冲。和HBM相似CDM也是为了衡量芯片生产,制造过程中可能会遇到的ESD而设计的,并非适用于日常使用场景。
我们介绍的下一个标准IEC 61000-4-2模型和HBM以及CDM不同,这是一个为日常使用设计的标准,它可以帮助我们衡量芯片确保是否能在日常可能接触到的ESD中免受损坏。如红色波形所示它用了更高的电流脉冲并且持续的时间也更长。
IEC 61000-4-2标准有四个不同的等级,最高等级为四级,应用8kV的接触放电和15kV的空气放电,这意味着您的接口芯片有能力免受8kV接触放电和15kV空气放电的损坏。
如果您的芯片没有达到这个等级,在电路里增加我们的ESD保护芯片,可以帮助你们达到这个级别,甚至更高级别的保护。
ESD二极管钳位电压
通常大家对IEC标准存在一个误解,这里我们以IEC四级举例,当我们在data sheet中提到这颗ESD二极管可以达到8000V接触放电和15kV空气放电时,我们针对的是这颗ESD二极管本身可以承受8000V和15kV的ESD冲击,并不代表系统电路同样可以承受。ESD二极管的钳位电压可以帮助我们量化在承受ESD冲击的时候,系统将会受到的冲击。
如图所示,我们的ESD保护二极管放置在一个与受保护电路平行的位置,钳位电压的含义是指在系统遭受对应级别的ESD冲击时,系统SE需要承受的冲击电压值。这张图显示了一个8kV IEC冲击在系统中造成的冲击电压随时间的变化。红色的波形代表没有ESD二极管的信息,如果加上了ESD保护二极管,当一个ESD冲击进入系统,ESD二极管将立刻被击穿,并提供一个低阻抗的路径将电流导向地面。无论如何,在ESD保护二极管的两端,由于阻抗的存在依然会有一定程度的压降,这个压降将会平行映射到系统电路中。
蓝色的波形就显示了钳位波形,对于了解钳位电压,最好的办法是观测ESD二极管的传输线性脉冲曲线或者简称为TLP曲线。
TLP曲线提供了二极管电压与电流的关系,可以通过给定的输入电流推算出钳位电压。举个例子当1A的电流被释放到ESD二极管,它的钳位电压大约为8.4V,当放电电流为2.7A钳位电压为9V,当放电电流为5.8A时钳位电压为10V,以此类推。现在我们可以大致估算出冲击时,系统会承受的钳位电压。对于8000V的IEC ESD冲击而言,我们只需要看TLP曲线中16A的那一点,对于这一个二极管而言,钳位电压大约是13.4V。
TLP曲线的斜率对于理解二极管保护的好坏很重要,举个例子,绿色的曲线代表另一颗ESD保护二极管,更高的斜率代表它在对应电流时有更低的钳位电压,根据欧姆定律这条曲线的斜率为动态电阻1/Rdul。所以,当你关注钳位电压时选择动态电阻更小的ESD保护二极管,就代表它拥有更小的钳位电压。
ESD的电容及电容对于系统的意义
回忆一下ESD保护二极管的最主要的作用,是在ESD冲击发生时将电流引至地来起到保护系统的作用。然而,这颗ESD二极管在系统正常工作时,应该是处于完全隐形的位置。在现实世界中,情况并非如此,因为二极管会具有干扰信号完整性的寄生电容。