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系统级ESD电路保护设计

2013-03-06 10:29
seele_jin
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  随着技术的发展,移动电子设备已成为我们生活和文化的重要组成部分。平板电脑和智能手机触摸技术的应用,让我们能够与这些设备进行更多的互动。它构成了一个完整的静电放电 (ESD) 危险环境,即人体皮肤对设备产生的静电放电。例如,在使用消费类电子设备时,在用户手指和平板电脑 USB 或者 HDMI 接口之间会发生 ESD,从而对平板电脑产生不可逆的损坏,例如:峰值待机电流或者永久性系统失效。本文将为您解释系统级 ESD 现象和器件级 ESD 现象之间的差异,并向您介绍一些提供 ESD 事件保护的系统级设计方法。

  系统级ESD保护与器件级ESD保护的对比

  IC 的 ESD 损坏可发生在任何时候,从装配到板级焊接,再到终端用户人机互动。ESD 相关损坏最早可追溯到半导体发展之初,但在 20 世纪 70 年代微芯片和薄栅氧化 FET 应用于高集成 IC 以后,它才成为一个普遍的问题。所有 IC 都有一些嵌入式器件级 ESD 结构,用于在制造阶段保护 IC 免受 ESD 事件的损坏。这些事件可由三个不同的器件级模型进行模拟:人体模型 (HBM)、机器模型 (MM) 和带电器件模型 (CDM)。HBM 用于模拟用户操作引起的 ESD 事件,MM 用于模拟自动操作引起的 ESD 事件,而 CDM 则模拟产品充电/放电所引起的 ESD 事件。这些模型都用于制造环境下的测试。在这种环境下,装配、最终测试和板级焊接工作均在受控ESD 环境下完成,从而减小暴露器件所承受的 ESD 应力。在制造环境下,IC 一般仅能承受 2-kV HBM 的 ESD电击,而最近出台的小型器件静电规定更是低至 500V。

  尽管在厂房受控 ESD 环境下器件级模型通常已足够,但在系统级测试中它们却差得很远。在终端用户环境下,电压和电流的ESD电击强度要高得多。因此,工业环境使用另一种方法进行系统级 ESD 测试,其由 IEC 61000-4-2标准定义。器件级 HBM、MM和CDM 测试的目的都是保证 IC 在制造过程中不受损坏;IEC 61000-4-2规定的系统级测试用于模拟现实世界中的终端用户ESD事件。

  IEC 规定了两种系统级测试:接触放电和非接触放电。使用接触放电方法时, 测试模拟器电极与受测器件(DUT) 保持接触。非接触放电时,模拟器的带电电极靠近DUT,同 DUT 之间产生的火花促使放电。

  表 1 列出了 IEC 61000-4-2 标准规定的每种方法的测试级别范围。请注意,两种方法的每种测试级别的放电强度并不相同。我们通常在4级(每种方法的最高官方标称级别)以上对应力水平进行逐级测试,直到发生故障点为止。

系统级ESD电路保护设计

▲ 表1 接触放电和非接触放电方法的测试电平

系统级ESD电路保护设计

▲ 表2 器件级模型与IEC系统级模型比较(点击查看大图)

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