ESD作为一种客观物理现象,是很难通过绝缘或者其他方式来避免的,因此,常规做法都是添加保护器件,也即无法避免设备接受ESD,但可以选择当ESD发生的时候,设备通过额外的器件来进行保护。
如下图,常规使用的时候,ESD器件彷佛不存在;当ESD发生的时候,ESD保护器件则吸收掉这些能量,从而使得到达设备端的能量在可接受范围内。
作为硬件工程师,当然最先关注的是各种防雷防静电等级,例如IEC61000-4-2等等,根据消费级还是工业级甚至军工级有不同要求。
为了做到ESD器件不影响信号质量,在正常进行信号传输的时候,ESD器件不应当对信号造成太大干扰。 从这点出发,我们需要关注一下几个参数:
1、Vrwm(peak reverse voltage)&Ir(reverse current) Vrwm是反向截止电压,在这一电压之下,反向电流都会小于Ir,因此在这个状态下,Rdyn(动态等效电阻)都会极大,对信号造成的影响较小。
2、根据不同的应用,不同的信号传输频率,需要选择不同Ct值的器件,否则等效电容就会对信号造成影响。针对目前的GHz级别的信号,电容都需要在pF级,过高的容值会增加插入损耗,实际上就是高频信号来回给电容充放电,影响信号完整性。
3、信号极性 这一点常规设计基本不需要考虑,大多数设计都是参考地平面的正电压,但某些交换设备和其他设备,可能有负电压的存在,这时候就需要了解你的信号相对地平面是正还是负,ESD器件需要反接。
4、Vbr(reverse breakdown voltage) Vbr需要比被保护的信号(电源)的最大幅值还要大,这一点很简单,如果Vbr不够大,那正常传输信号的时候就会触发ESD器件动作,本来的高电平都被拉低了。当ESD发生的时候,电压高过Vbr之后,ESD器件就会被反向击穿,快速将能量导到地平面。在这一过程中,Vc是clamp voltage钳位电压,是厂商测试确认的当不同级别ESD发生的时候,ESD器件两端的压差。
5、Rdyn(dynamic resistance) 参考上图,Rdyn是当ESD器件被反向击穿工作的时候,对地电阻。 这一值是越小越好,因为当ESD器件被反向击穿,相当于ESD器件和芯片是并联状态,因此ESD器件的对地电阻越小,它能够吸收的能量越高,相对的芯片端的能量越低,电压越低。
总结
对于ESD器件,主要就是两点。 1. 用不到的时候,尽量别影响信号。所以Vrwm要高于信号电压,Ct要尽可能的小。 2. 用得到的时候,尽力保护芯片。所以Vbr不能太高,Rdyn尽可能的小,Vc也要低。