【導(dǎo)讀】靜電放電 (ESD) 現(xiàn)象從一開始就存在。我們第一次接觸 ESD 往往是在孩童時(shí)代，在干燥的冬日觸碰金屬門把手時(shí)，會(huì)有種觸電的感覺(jué)——這就是靜電放電。這種短暫的不適感通常對(duì)人類來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，但是即使是少量的 ESD 也有可能會(huì)損毀敏感電路。
本博客是手機(jī) ESD 保護(hù)系列的第 1 部分。該系列共分為 3 部分。
靜電放電 (ESD) 現(xiàn)象從一開始就存在。我們第一次接觸 ESD 往往是在孩童時(shí)代，在干燥的冬日觸碰金屬門把手時(shí)，會(huì)有種觸電的感覺(jué)——這就是靜電放電。這種短暫的不適感通常對(duì)人類來(lái)說(shuō)不是問(wèn)題，但是即使是少量的 ESD 也有可能會(huì)損毀敏感電路。
手機(jī)設(shè)計(jì)人員一直都面臨著何時(shí)以及如何解決這一自然現(xiàn)象的挑戰(zhàn)。本博客解釋了系統(tǒng)級(jí) ESD 保護(hù)為何如此重要，同時(shí)使大家能夠了解提高移動(dòng)設(shè)備中系統(tǒng)級(jí) ESD 保護(hù)的測(cè)試模型和戰(zhàn)略。
ESD 模型和波形的測(cè)試
人體和衣服一天可存儲(chǔ) 500 V 至 2,500 V 靜電電荷，但是人類只能感受到 3,000 至 4,000 V 的 ESD 脈沖。這遠(yuǎn)高于電子電路受損的水平，即使人類無(wú)法檢測(cè)到。
設(shè)計(jì)人員必須從多方面解決 ESD 問(wèn)題，對(duì)組件制造商來(lái)說(shuō)，是在其設(shè)計(jì)階段和設(shè)計(jì)工作結(jié)束之時(shí)。簡(jiǎn)而言之，ESD 保護(hù)需要一種多層面方案。
通常，集成電路 (IC) 制造商按照 ESD 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證其 IC。這可防止在 IC 生產(chǎn)或在 PC 板上組裝時(shí)出現(xiàn)物理?yè)p壞。針對(duì) ESD，通常進(jìn)行的兩種測(cè)試包括：
● 人體模型 (HBM)。這種測(cè)試模擬人體通過(guò)接觸 IC 釋放所積累的靜電的 ESD 事件。采用一個(gè)帶電的 100 pF 電容和一個(gè) 1.5 k? 放電電阻進(jìn)行模擬。
● 帶電設(shè)備模型 (CDM)。這種測(cè)試模擬在生產(chǎn)設(shè)備和工藝中發(fā)生的充電和放電事件。設(shè)備在一些摩擦工藝中或靜電感應(yīng)過(guò)程中獲得電荷，然后突然接觸到一個(gè)接地物體或表面。
雖然設(shè)備級(jí)測(cè)試有助于衡量 IC 的 ESD 穩(wěn)健性，但系統(tǒng)級(jí)測(cè)試可衡量現(xiàn)場(chǎng)的電子設(shè)備保護(hù)（即原始設(shè)備制造商 [OEM] 設(shè)備或終端產(chǎn)品）。
為了更好地了解最終產(chǎn)品所需的 ESD 保護(hù)，OEM 應(yīng)采用系統(tǒng)級(jí) ESD 方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按照國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) ESD 標(biāo)準(zhǔn) 61000-4-2 測(cè)試最終產(chǎn)品。IEC 61000-4-2 被視為終端產(chǎn)品 ESD 測(cè)試和評(píng)級(jí)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該測(cè)試可確定系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)外部 ESD 事件的易損性。
下圖比較了三種脈沖的能量和峰值電流：
● 系統(tǒng)級(jí) IEC 61000-4-2
● 設(shè)備級(jí) HBM
● 設(shè)備級(jí) CDM
IEC ESD 事件脈沖顯然更強(qiáng)，因此系統(tǒng)中的設(shè)備更加難以通過(guò)。盡管設(shè)備級(jí)測(cè)試（HBM 和 CDM）比較有用，且可提供 ESD 穩(wěn)健性的基準(zhǔn)，但在系統(tǒng)級(jí) IEC 測(cè)試期間并不總是能夠確定生存性。
為進(jìn)一步展示這一概念，下表顯示了組件測(cè)試和系統(tǒng)級(jí) IEC 測(cè)試之間的差異。大家可以看到，差異很大，系統(tǒng)應(yīng)力水平更高?？偠灾狠^之于設(shè)備級(jí)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須滿足更嚴(yán)苛的要求。
測(cè)試不充分的問(wèn)題
在開發(fā)階段進(jìn)行系統(tǒng)級(jí) ESD 測(cè)試可能會(huì)是個(gè)問(wèn)題。例如，測(cè)試評(píng)估/不完整板組件上的 ESD 并不能代表所有情況。這些組件的結(jié)果并不保證完整系統(tǒng)的最終結(jié)果。
設(shè)備級(jí) ESD 測(cè)試（即 HBM 和 CDM）旨在通過(guò)適當(dāng)?shù)?ESD 控制在工廠生成適合分立式組件的可重復(fù)且可再現(xiàn)的結(jié)果。這就是所謂的 ESD 保護(hù)區(qū) (EPA)。然而，這些測(cè)試并不是為了解決現(xiàn)實(shí)世界中 EPA 范圍之外的全部產(chǎn)品級(jí) ESD 事件。
實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品穩(wěn)健性的關(guān)鍵：系統(tǒng)級(jí) ESD
相反，ESD 穩(wěn)健型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要考慮 ESD 在系統(tǒng)中的影響。為了獲得系統(tǒng)級(jí)視角，設(shè)計(jì)人員必須了解并解決以下問(wèn)題：
● 系統(tǒng)級(jí)應(yīng)力事件及其對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的影響。設(shè)備級(jí) ESD 測(cè)試結(jié)果只能為系統(tǒng) ESD 設(shè)計(jì)提供非常少的信息，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法反映電子設(shè)備在 IEC ESD 事件期間經(jīng)歷了什么。
● 系統(tǒng)中板級(jí)相互作用，以及在 ESD 應(yīng)力作用下與電子部件外部接觸的引腳瞬態(tài)行為。
● 高效的表征化方法（如組件級(jí)傳輸線路脈沖 (TLP) 數(shù)據(jù)），用于分析 IC、板和系統(tǒng)的相互作用。
系統(tǒng)級(jí) ESD 保護(hù)戰(zhàn)略取決于物理設(shè)計(jì)、產(chǎn)品要求和產(chǎn)品成本。
最佳方法：系統(tǒng)高效 ESD 設(shè)計(jì) (SEED)
系統(tǒng)高效 ESD 設(shè)計(jì) (SEED)是一種系統(tǒng)級(jí)方法，考慮了系統(tǒng)中所有組件的瞬態(tài)響應(yīng)。SEED 方法還包括對(duì) IC 引腳上 PC 板外部端口施加的 IEC 應(yīng)力的物理影響。
SEED 是一種實(shí)現(xiàn)板載和片上 ESD 保護(hù)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法。利用 SEED，您可以分析和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí) ESD 穩(wěn)健性。該方法要求對(duì) ESD 應(yīng)力事件期間外部 ESD 脈沖之間的相互作用、完整的系統(tǒng)級(jí)板設(shè)計(jì)以及設(shè)備引腳特性有一個(gè)全面的了解。
SEED 方法是實(shí)現(xiàn)對(duì)稱且穩(wěn)健的系統(tǒng)級(jí) ESD 保護(hù)的最佳方法。如下圖所示，SEED 利用以下信息設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí) ESD 保護(hù)：
● 準(zhǔn)靜態(tài) TLP 電流電壓 (I-V) 曲線數(shù)據(jù)
● 瞬態(tài)模擬
● S 參數(shù) PC 板數(shù)據(jù)
● IC I-V 電路測(cè)量
我們將在本博客系列的第 2 部分和第 3 部分詳細(xì)介紹 SEED。這一部分主要是對(duì) SEED 進(jìn)行概述：
● PC 板的 ESD 保護(hù)為一級(jí)保護(hù)，可防止對(duì) IC 或系統(tǒng)造成物理?yè)p壞。
● 片上保護(hù)發(fā)揮二級(jí)保護(hù)的作用。
SEED 的基本概念旨在防止具有損壞性質(zhì)的 ESD 脈沖抵達(dá)內(nèi)部 IC 引腳。通過(guò)執(zhí)行和分析 ESD 系統(tǒng)級(jí)模擬可實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)級(jí) ESD 設(shè)計(jì)。
接下來(lái)：RF 前端設(shè)計(jì)的 ESD 保護(hù)戰(zhàn)略
眾所周知，在手機(jī)設(shè)計(jì)中戰(zhàn)略性地實(shí)現(xiàn) ESD 至關(guān)重要。這樣做可縮短設(shè)計(jì)工程周期時(shí)間，減少 ESD 故障和研發(fā)開支。
在本博客系列的后續(xù)博客中，我們將深入探討 ESD 保護(hù)組件以及減少 ESD 對(duì)移動(dòng) RF 設(shè)計(jì)影響的不同戰(zhàn)略。第 3 部分將解釋如何利用模擬和建模確定系統(tǒng)級(jí) ESD 保護(hù)。
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