电子说
本博客是手机 ESD 保护系列的第 1 部分。该系列共分为 3 部分。
静电放电(ESD) 现象从一开始就存在。我们第一次接触 ESD 往往是在孩童时代,在干燥的冬日触碰金属门把手时,会有种触电的感觉——这就是静电放电。这种短暂的不适感通常对人类来说不是问题,但是即使是少量的 ESD 也有可能会损毁敏感电路。
手机设计人员一直都面临着何时以及如何解决这一自然现象的挑战。本博客解释了系统级 ESD 保护为何如此重要,同时使大家能够了解提高移动设备中系统级 ESD 保护的测试模型和战略。
ESD 模型和波形的测试
人体和衣服一天可存储 500 V 至 2,500 V 静电电荷,但是人类只能感受到 3,000 至 4,000 V 的 ESD 脉冲。这远高于电子电路受损的水平,即使人类无法检测到。
设计人员必须从多方面解决 ESD 问题,对组件制造商来说,是在其设计阶段和设计工作结束之时。简而言之,ESD 保护需要一种多层面方案。
通常,集成电路 (IC) 制造商按照 ESD 行业标准设计、测试和验证其 IC。这可防止在 IC 生产或在 PC 板上组装时出现物理损坏。针对 ESD,通常进行的两种测试包括:
人体模型(HBM)。这种测试模拟人体通过接触 IC 释放所积累的静电的 ESD 事件。采用一个带电的 100 pF 电容和一个 1.5 kΩ 放电电阻进行模拟。
带电设备模型(CDM)。这种测试模拟在生产设备和工艺中发生的充电和放电事件。设备在一些摩擦工艺中或静电感应过程中获得电荷,然后突然接触到一个接地物体或表面。
虽然设备级测试有助于衡量 IC 的 ESD 稳健性,但系统级测试可衡量现场的电子设备保护(即原始设备制造商 [OEM] 设备或终端产品)。
为了更好地了解最终产品所需的 ESD 保护,OEM 应采用系统级ESD方法进行设计,然后按照国际电工委员会(IEC)ESD 标准 61000-4-2 测试最终产品。IEC 61000-4-2被视为终端产品 ESD 测试和评级的行业标准。该测试可确定系统对现场外部 ESD 事件的易损性。
下图比较了三种脉冲的能量和峰值电流:
系统级 IEC 61000-4-2
设备级 HBM
设备级 CDM
IEC ESD 事件脉冲显然更强,因此系统中的设备更加难以通过。尽管设备级测试(HBM 和 CDM)比较有用,且可提供 ESD 稳健性的基准,但在系统级 IEC 测试期间并不总是能够确定生存性。
为进一步展示这一概念,下表显示了组件测试和系统级 IEC 测试之间的差异。大家可以看到,差异很大,系统应力水平更高。总而言之:较之于设备级设计,系统设计必须满足更严苛的要求。
测试不充分的问题
在开发阶段进行系统级 ESD 测试可能会是个问题。例如,测试评估/不完整板组件上的 ESD 并不能代表所有情况。这些组件的结果并不保证完整系统的最终结果。
设备级 ESD 测试(即 HBM 和 CDM)旨在通过适当的 ESD 控制在工厂生成适合分立式组件的可重复且可再现的结果。这就是所谓的ESD保护区(EPA)。然而,这些测试并不是为了解决现实世界中 EPA 范围之外的全部产品级 ESD 事件。
实现产品稳健性的关键:系统级 ESD
相反,ESD 稳健型系统设计的关键是要考虑 ESD 在系统中的影响。为了获得系统级视角,设计人员必须了解并解决以下问题:
系统级应力事件及其对整个产品的影响。设备级 ESD 测试结果只能为系统 ESD 设计提供非常少的信息,因为它们无法反映电子设备在 IEC ESD 事件期间经历了什么。
系统中板级相互作用,以及在 ESD 应力作用下与电子部件外部接触的引脚瞬态行为。
高效的表征化方法(如组件级传输线路脉冲(TLP)数据),用于分析 IC、板和系统的相互作用。
系统级 ESD 保护战略取决于物理设计、产品要求和产品成本。
深入了解
进一步了解系统级 ESD:
MSP430系统级ESD考虑因素(Texas Instruments)
System Level ESD:第1部分,常见误解和推荐的基本方法(ESD 工业委员会)
最佳方法:系统高效 ESD 设计 (SEED)
系统高效ESD设计(SEED)是一种系统级方法,考虑了系统中所有组件的瞬态响应。SEED 方法还包括对 IC 引脚上 PC 板外部端口施加的 IEC 应力的物理影响。
SEED 是一种实现板载和片上 ESD 保护的协同设计方法。利用 SEED,您可以分析和实现系统级 ESD 稳健性。该方法要求对 ESD 应力事件期间外部 ESD 脉冲之间的相互作用、完整的系统级板设计以及设备引脚特性有一个全面的了解。
SEED 方法是实现对称且稳健的系统级 ESD 保护的最佳方法。如下图所示,SEED 利用以下信息设计系统级 ESD 保护:
准静态 TLP电流电压(I-V)曲线数据
瞬态模拟
S 参数 PC 板数据
IC I-V 电路测量
我们将在本博客系列的第 2 部分和第 3 部分详细介绍 SEED。这一部分主要是对 SEED 进行概述:
PC板的 ESD 保护为一级保护,可防止对 IC 或系统造成物理损坏。
片上保护发挥二级保护的作用。
SEED 的基本概念旨在防止具有损坏性质的 ESD 脉冲抵达内部 IC 引脚。通过执行和分析 ESD 系统级模拟可实现适当的系统级 ESD 设计。
接下来:RF 前端设计的 ESD 保护战略
众所周知,在手机设计中战略性地实现 ESD 至关重要。这样做可缩短设计工程周期时间,减少 ESD 故障和研发开支。
在本博客系列的后续博客中,我们将深入探讨 ESD 保护组件以及减少 ESD 对移动 RF 设计影响的不同战略。第 3 部分将解释如何利用模拟和建模确定系统级 ESD 保护。
审核编辑 黄昊宇
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