《系统与芯片ESD防护的协同设计》 —1.3.2　ESD电压抑制

1.3.2　ESD电压抑制

片外防护的主要方法之一是基于分立ESD脉冲钳位元器件，后者起着与片上防护钳位类似的作用。由于有机会在ESD防护网络中选用不同的PCB元器件，这显著增加了片外防护策略的能力。因此，通常片外ESD防护策略类似于片上两级或多级分布式网络。初级端口防护通常依赖有源ESD防护器件，同时，二级网络元器件由PCB上无源或片上有源元器件构成（图1.21）。

片外防护可以有很多选择，包括隔离和滤波电路以及瞬态电压抑制器（TVS）组件。抑制组件的种类包括多层压敏电阻、硅二极管或基于聚合物的抑制器。

系统级ESD防护仅在IC外部引脚上实施，外部引脚通常包括与系统端口相连的IC的输入、输出和电源引脚。内部引脚通常不需要额外的片外ESD防护。IC外部引脚的ESD防护概念集中于系统级分立的片外ESD防护器件，它们放置在电路1从输入端、电源端到地的通路中，与此同时，电路2仍然没有连接到任何系统端口（图1.22a）。

图1.22b给出了一个RF应用的缓冲放大器的系统级ESD防护实例。它使用了片上ESD二极管DESD、电源钳位PC和片外TVS。放大器的RF输入用一个TVS二极管在系统级上进行防护。电源引脚VCC正极和VEE负极用具有去耦电容的板级电源网络进行防护。放大器输出引脚视为内部引脚，不需要系统级ESD防护装置。

抑制元器件通过将ESD电压钳位到一个安全水平来对被防护电路进行防护。抑制器通过与信号线的并联连接来对ESD电压进行钳位（图1.23），并将大部分ESD电流从被防护芯片分流到适当的参考总线上。

必须考虑TVS的内在电学特性，不仅是尺寸大小、输出引脚、泄漏电流，而且必须包括钳位电压波形。不同的TVS，其内部IC引脚上的电压波形可能完全不同，这直接影响到ESD的合格水平（图1.24）。

ESD防护的最终结果与在同一网络中片外和片上ESD防护元器件的工作有关。最简单的情形，可以在防护网络的片外和片上防护部分之间增加额外的隔离电阻，以限制流进片上ESD防护电路的电流（图1.25a）。多级ESD防护的更有效的设计例子结合了TVS二极管、去耦电容（Cx）和铁氧体磁珠（FB）（图1.25b）。在这一网络中，TVS元器件仅将部分ESD电流分流到地，与此同时，去耦网络中的无源元器件作为剩下的残余电流的过滤器。

从成本和性能的角度，系统级板上的ESD防护元器件的数量必须要缩减。这样，一种合乎逻辑的方法是系统级ESD防护结构的片上实现（图1.26）。片外和片上ESD防护策略的折中取决于所需要的片上面积与PCB元器件装配成本之比。

因为分立，元器件本身的成本相当低，所以上述后一项通常是成本的主要成分。在宽度线性缩放的假设下，具有5 mA/μm固有电流容量和能通过2 kV HBM的ESD钳位器，必须设计为至少13倍宽以便能通过8 kV的IEC 61000-4-2之应力。除了较大的ESD钳位尺寸外，为了安全地将较高的系统级ESD应力电流输运至防护装置，金属布线也需要改进。但较大的器件和金属面积伴随着整个寄生电容的显著增加。下一节将更多地讨论这方面的问题。

第3章从防护器件的角度，更加详细地描述了系统级引脚的片上防护设计。具有片上和片外防护器件的外部IC引脚的系统级ESD防护在第5章中论述。