雙極型二極管的ESD保護(hù)與應(yīng)用電路設(shè)計

靜電放電（ESD）會對集成電路（IC）造成破壞性的能量沖擊，良好的IC設(shè)計能夠在IC裝配到應(yīng)用電路的過程中保護(hù)IC免遭ESD沖擊的破壞。安裝后，IC還必須能夠承受ESD穿過靜電防護(hù)電路進(jìn)入最終電路的沖擊。除此之外，機(jī)械防護(hù)、電源去耦電容都有助于提高ESD保護(hù)能力，但是，如果電容選擇不當(dāng)將會造成IC更容易損壞。為了給IC提供合理的ESD保護(hù)，需要考慮以下內(nèi)容：

* 沖擊IC的ESD傳遞模式；

* 內(nèi)部ESD保護(hù)；

* 應(yīng)用電路與IC內(nèi)部ESD保護(hù)的相互配合；

* 修改應(yīng)用電路提高IC的ESD保護(hù)能力。

ESD傳遞模式

靜電放電強(qiáng)度以電壓形式表示，該電壓由電容的儲能電荷產(chǎn)生，最終傳遞到IC。作用到IC的電壓和電流強(qiáng)度與IC和ESD源之間的阻抗有關(guān)。對電荷來源進(jìn)行評估后建立了ESD測試模型。

ESD測試中一般使用兩種充電模式（圖1），人體模式（HBM）下將電荷儲存在人體內(nèi)（100pF等效電容），通過人體皮膚放電（1.5kΩ等效電阻）。機(jī)器模式（MM）下將電荷儲存在金屬物體，機(jī)器模式中的放電只受內(nèi)部連接電感的限制。

雙極型二極管的ESD保護(hù)與應(yīng)用電路設(shè)計

以下概念對于評估ESD向IC的傳遞非常有用：

1. 電壓高于標(biāo)稱電源電壓時，IC阻抗較低。

對于圖1中的HBM模式：ZS＝ZHBM＝1.5kω

2. 在MM模式下，電流受特征阻抗（約50Ω）的限制。

上述特征阻抗的計算可以從低阻L-C電路的能量（E）推導(dǎo)出來：

3. 如果ESD電流主要流入電源去耦電容，IC電壓由儲存的電荷量決定：

4. 能夠在瞬間導(dǎo)致IC損壞的能量相當(dāng)于微焦級，有外部電源去耦電容時，考慮這一點非常重要，從電源電容（C1）傳遞到IC的能量是：

5. 耗散功率（P）會產(chǎn)生一定熱量，假設(shè)能量經(jīng)過一段較長的時間（t）釋放掉，熱量將隨之降低：

ESD能量傳遞到低阻電路時需要考慮其電流（上述第1、2條）；對于高阻而言，能量以電壓形式通過電荷轉(zhuǎn)移傳遞到電源去耦電容和寄生電容（第3條）。對IC造成損壞的典型能量是在不到一個毫秒的時間內(nèi)將微焦級能量釋放到IC（第4、5條）。

IC內(nèi)部保護(hù)電路

標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)方案是限制到達(dá)IC核心電路的電壓和電流。圖1所示保護(hù)器件包括：

* ESD二極管—在信號引腳與電源或地之間提供一個低阻通道，與極性有關(guān)；

* 電源箝位—連接在電源之間，正常供電條件下不汲取電流，出現(xiàn)ESD沖擊時呈低阻。

1. ESD二極管

如果對IC引腳進(jìn)行HBM測試，測試電路的初始電壓是2kV，通過ESD二極管的電流約為1.33A（圖2）：

理論上，進(jìn)行HBM測試時引腳電壓受限于二極管壓降。大電流會在ESD二極管和引線上產(chǎn)生I-R壓降，在信號引腳產(chǎn)生額外的電壓，如圖2所示。

為了確定IC是否能夠承受2kV的ESD沖擊，需要參考廠商提供的資料。IC的額定電壓由最大電壓決定，圖1中的VESD，這是IC能夠承受的一種特定的ESD源。Maxim IC所能承受的ESD指標(biāo)在可靠性報告中可以查找到。

2. 電源箝位

雙極型IC的箝位電路類似于在受保護(hù)核電路中提供一個受沖擊時擊穿的部件，圖3給出了圖1中箝位功能的詳細(xì)電路。箝位晶體管的過壓導(dǎo)致集電極-基極之間的雪崩電流，發(fā)射結(jié)的正向偏置會進(jìn)一步提高集電極電流，導(dǎo)致一個“突變”過程。箝位時的V-I特性曲線如圖4所示。

箝位二極管在IC其它電路遭到破壞之前導(dǎo)通，箝位管要有足夠的承受力，保證ESD電流不會導(dǎo)致二次擊穿。2kV HBM測試的箝位過程如圖5所示，圖5中的電壓包括I-R壓降和突變穩(wěn)定后的箝位電壓。

ESD保護(hù)與應(yīng)用電路

箝位電壓從第一次擊穿變化到突變穩(wěn)定后的導(dǎo)通電壓，如圖5所示。為保證箝位時關(guān)閉正常的工作條件，設(shè)計的箝位電壓一般要略高于IC的絕對最大電壓。

電源去耦電容會影響箝位操作，傳遞到去耦電容的電荷會產(chǎn)生高于IC絕對最大值的電壓，但還不足以使箝位電路導(dǎo)通。這時的電容相當(dāng)于一個能源，迅速向器件注入能量。

對于一個給定的去耦電容，ESD測試中初始電壓的變化遵循電荷守恒原理。例如，使用一個0.01μF去耦電容，2kV HBM測試電壓可以達(dá)到20V：

或

被保護(hù)引腳電容上的能量如圖6所示，對小的去耦電容，箝位二極管通過進(jìn)入突變穩(wěn)定模式限制電壓（V1）。突變穩(wěn)定后的電壓所產(chǎn)生的能量近似地隨著電容的增大而成比例增大。電源去耦電容增大到一定程度后，電荷傳輸不會產(chǎn)生導(dǎo)致箝位電路擊穿的電壓。

箝位電壓高于IC所能承受的電壓（典型值6V），低于二極管的擊穿電壓（約10V）時，對于存在去耦電容的情況，因為電容儲能可能導(dǎo)致某些問題。如果IC在沒有外部電路的情況下進(jìn)行測試，引腳上作用10V電壓是可以接受的，對器件不會構(gòu)成威脅。

改善ESD保護(hù)

合理選擇去耦電容的大小有助于在電路中提高IC的保護(hù)，降低電容儲能，使ESD電荷不會產(chǎn)生擊穿箝位電路的電壓。我們可以考慮圖1中C1》》C0的情況：

最初：

將C1加倍，則會導(dǎo)致：

電容加倍，能量降低一倍。

對于高速雙極型IC，HBM測試中吸收的最大能量是1μJ；2kV人體模式下，如果電容小于0.02μF（圖6），C1》》C0二極管會產(chǎn)生動作。為了使去耦電容的能量低于1μJ，去耦電容有兩種選擇：要么容值大于0.05μF，要么小于0.005μF。當(dāng)使用更高的測試電壓時，要按比例增大0.05μF電容的尺寸。

實際應(yīng)用中，通常不允許使用更大的去耦電容。浪涌電流的要求會限制電容尺寸。如果不控制電壓擺率，唯一限制浪涌電流的途徑就是限制去耦電容的尺寸：