ESD保护结构设计

不同电源域之间的esd保护结构不同电源域之间的ESD（静电放电）保护结构引言：随着电子设备的快速发展，静电放电（ESD）对电路的破坏成为一个严重的问题。

在不同电源域之间添加ESD保护结构可以有效地防止ESD对电路的损害。

本文将讨论不同电源域之间常见的ESD保护结构。

一、电源域之间的ESD保护需求在现代电子设备中，不同电源域之间的数据交换十分普遍。

然而，由于不同电源域之间可能存在电位差，ESD可能会通过这些电位差对电路产生损害。

因此，需要在不同电源域之间添加合适的ESD保护结构，以保护电路免受ESD的侵害。

二、常见的ESD保护结构1. 双向TVS二极管双向TVS（Transient Voltage Suppressor）二极管是一种常见的ESD保护结构。

它可以将过电压引导到接地或电源上，从而保护电路。

在不同电源域之间，可以使用双向TVS二极管来提供双向的ESD保护。

2. TVS二极管与电容在一些设计中，为了提高ESD保护效果，可以将TVS二极管与电容并联使用。

电容可以提供额外的滤波功能，使电路对ESD的抵抗能力更强。

3. ESD保护芯片ESD保护芯片是一种专门用于ESD保护的集成电路。

它通常包含多个ESD保护单元，可以提供较高的ESD保护能力。

在不同电源域之间，可以使用ESD保护芯片来提供全面的ESD保护。

4. 共模ESD保护在不同电源域之间，可能存在共模ESD（Common Mode ESD）问题。

共模ESD保护结构通常由电位补偿电路和双向TVS二极管组成，可以有效地抑制共模干扰。

三、ESD保护结构的设计考虑因素在设计不同电源域之间的ESD保护结构时，需要考虑以下因素：1. ESD保护能力ESD保护结构的主要目标是提供有效的ESD保护。

因此，在选择ESD 保护结构时，需要考虑其ESD保护能力是否能够满足设计要求。

2. 响应时间ESD保护结构的响应时间也是一个重要的设计考虑因素。

较短的响应时间可以更好地抵御ESD，减少电路的损害。

ESD保护要从三个方面入手：1、芯片的ESD容量；2、PCB版图设计；3、机械设计。

他表示好的PCB版图设计应该尽量增大接地面积、缩短PCB走线，他特别强调TVS阵列可以有效解决ESD问题。

针对ESD引起的共模干扰，通常可以使用共模扼流圈或TVS阵列来解决ESD问题和完成EMI滤波，在电路中共模扼流圈串行连接，TVS并行接在电路中。

除考虑用器件解决ESD问题外，我们也可以遵循一些基本规则来解决PCB的ESD问题：
1、尽可能使用多层PCB 相对于双面PCB而言，地平面和电源平面以及排列紧密的信号线-地线间距能够减小共模阻抗(common impedance)和感性耦合，使之达到双面PCB的1/10到1/100。

2、尽量地将每一个信号层都紧靠一个电源层或地线层。

对于顶层和底层表面都有元器件、具有很短连接线以及许多填充地的高密度PCB，可以考虑使用内层线。

大多数的信号线以及电源和地平面都在内层上，因而类似于具备屏蔽功能的法拉第盒。

3、对于双面PCB来说，要采用紧密交织的电源和地栅格。

通常的解决原则是要通过测试-解决问题-重新测试这样的周期，每一个周期都可能至少影响到一块PCB的设计。

在PCB设计过程中，通过预测可以将绝大多数设计修改仅限于增减元器件。

CMOS电路中ESD保护结构的设计上海交通大学微电子工程系王大睿1 引言静电放电(ESD，Electrostatic Discharge)给电子器件环境会带来破坏性的后果。

它是造成集成电路失效的主要原因之一。

随着集成电路工艺不断发展，互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor)的特征尺寸不断缩小，金属氧化物半导体(MOS，Metal-Oxide Semiconductor)的栅氧厚度越来越薄，MOS管能承受的电流和电压也越来越小，因此要进一步优化电路的抗ESD性能，需要从全芯片ESD保护结构的设计来进行考虑。

2 ESD的测试方法ESD模型常见的有三种，人体模型(HBM，Hu-man Body Model)、充电器件模型(CDM，Charge DeviceModel)和机器模型(MM，Machine Mode)，其中以人体模型最为通行。

一般的商用芯片，要求能够通过2kV静电电压的HBM检测。

对于HBM放电，其电流可在几百纳秒内达到几安培，足以损坏芯片内部的电路。

，所以对I／O引脚会进行以下六种测试：1) PS模式：VSS接地，引脚施加正的ESD电压，对VSS放电，其余引脚悬空；2) NS模式：VSS接地，引脚施加负的ESD电压，对VSS放电，其余引脚悬空；3) PD模式：VDD接地，引脚施加正的ESD电压，对VDD放电，其余引脚悬空；4) ND模式：VDD接地，引脚施加负的ESD电压，对VDD放电，其余引脚悬空；5) 引脚对引脚正向模式：引脚施加正的ESD电压，其余所有I／O引脚一起接地，VDD和VSS引脚悬空；6) 引脚对引脚反向模式：引脚施加负的：ESD电压，其余所有I／O引脚一起接地，VDD和VSS引脚悬空。

VDD引脚只需进行(1)(2)项测试3 ESD保护原理ESD保护电路的设计目的就是要避免上作电路成为ESD的放电通路而遭到损害，保证在任意两芯片引脚之间发生的ESD，都有适合的低阻旁路将ESD电流引入电源线。

芯片设计中的ESD保护设计要点有哪些在当今高度数字化的时代，芯片作为电子设备的核心组件，其性能和可靠性至关重要。

静电放电（ESD）是导致芯片失效的常见原因之一，因此在芯片设计中，ESD 保护设计成为了不可或缺的环节。

本文将详细探讨芯片设计中 ESD 保护设计的要点。

首先，我们要了解 ESD 现象对芯片造成的危害。

ESD 是指静电荷在不同电位物体之间的快速转移，这种瞬间的高电流和高电压脉冲可能会损坏芯片内部的敏感电路，如晶体管的栅极氧化层、PN 结等，从而导致芯片功能失常甚至完全失效。

那么，在芯片设计中，有哪些关键的 ESD 保护设计要点呢？其一，合理的版图布局是基础。

在芯片版图设计中，应将 ESD 保护器件尽可能靠近芯片的输入输出引脚放置，以缩短 ESD 电流的泄放路径，减少其在芯片内部传播所造成的损害。

同时，要注意避免在敏感电路区域附近布置容易引发 ESD 问题的结构。

其二，选择合适的 ESD 保护器件至关重要。

常见的 ESD 保护器件包括二极管、MOS 管、可控硅（SCR）等。

二极管结构简单，但其能承受的 ESD 电流相对较小。

MOS 管具有较好的性能，但面积较大。

SCR 在承受高 ESD 电流方面表现出色，但触发电压的控制需要精心设计。

设计师需要根据芯片的具体应用场景和性能要求，综合考虑选择合适的保护器件。

其三，优化 ESD 保护电路的参数。

例如，确定保护器件的尺寸、栅极长度、掺杂浓度等，以确保在 ESD 事件发生时，能够快速、有效地泄放电流，同时又不会对正常的芯片工作造成过大的影响。

其四，考虑芯片的工作电压和速度要求。

不同的工作电压和速度会影响 ESD 保护电路的设计。

对于低电压、高速的芯片，需要采用特殊的 ESD 保护技术，以满足其性能要求。

其五，进行全面的仿真和验证。

通过仿真工具，模拟 ESD 事件发生时芯片内部的电流、电压分布情况，评估 ESD 保护设计的效果，并根据仿真结果进行优化调整。

不同电源域之间的esd保护结构ESD（静电放电）是指在两个物体之间由于电荷的不平衡而产生的放电现象。

对于电子设备来说，ESD是一个非常严重的问题，因为它会导致设备的损坏甚至失效。

为了防止ESD对设备造成损害，我们需要在不同电源域之间设置合适的ESD保护结构。

不同电源域之间的ESD保护结构可以分为两大类：外部保护和内部保护。

外部保护是指在设备的输入/输出端口处设置的ESD保护结构。

这些保护结构可以分为两种类型：有源保护和无源保护。

有源保护是指在输入/输出端口处使用主动器件来提供ESD保护。

常见的有源保护器件包括二极管、MOSFET和SCR（可控硅）。

这些器件能够在ESD事件发生时提供快速的响应和高效的保护。

例如，二极管可以通过快速导通来分流ESD电流，从而保护设备不受损害。

MOSFET和SCR可以在ESD事件发生时提供更高的保护等级和更低的串扰。

无源保护是指在输入/输出端口处使用被动器件来提供ESD保护。

常见的无源保护器件包括电阻、电容和电感。

这些器件能够提供一定程度的ESD保护，但其保护能力相对较弱。

因此，在设计中通常会将无源保护器件与有源保护器件结合使用，以提高整体的ESD保护能力。

内部保护是指在芯片内部设置的ESD保护结构。

这些保护结构可以分为三种类型：硅基保护、金属基保护和氧化物保护。

硅基保护是指在芯片的硅基材料中设置的ESD保护结构。

常见的硅基保护结构包括二极管、MOSFET和双极型晶体管。

这些结构能够在ESD事件发生时提供快速的响应和高效的保护。

金属基保护是指在芯片的金属层中设置的ESD保护结构。

常见的金属基保护结构包括金属电阻、金属电容和金属电感。

这些结构能够提供一定程度的ESD保护，并且具有较高的集成度和良好的稳定性。

氧化物保护是指在芯片的氧化物层中设置的ESD保护结构。

常见的氧化物保护结构包括氧化物电阻和氧化物电容。

这些结构能够提供一定程度的ESD保护，并且具有较高的集成度和良好的稳定性。

静电保护（ESD）原理和设计⼀直想给⼤家讲讲ESD的理论，很经典。

但是由于理论性太强，如果前⾯那些器件理论以及snap-back理论不懂的话，这个⼤家也不要浪费时间看了。

任何理论都是⼀环套⼀环的，如果你不会画鸡蛋，注定了你就不会画⼤卫。

静电放电(ESD: Electrostatic Discharge)，应该是造成所有电⼦元器件或集成电路系统造成过度电应⼒(EOS: Electrical Over Stress)破坏的主要元凶。

因为静电通常瞬间电压⾮常⾼(>⼏千伏)，所以这种损伤是毁灭性和永久性的，会造成电路直接烧毁。

所以预防静电损伤是所有IC设计和制造的头号难题。

静电，通常都是⼈为产⽣的，如⽣产、组装、测试、存放、搬运等过程中都有可能使得静电累积在⼈体、仪器或设备中，甚⾄元器件本⾝也会累积静电，当⼈们在不知情的情况下使这些带电的物体接触就会形成放电路径，瞬间使得电⼦元件或系统遭到静电放电的损坏(这就是为什么以前修电脑都必须要配戴静电环托在⼯作桌上，防⽌⼈体的静电损伤芯⽚)，如同云层中储存的电荷瞬间击穿云层产⽣剧烈的闪电，会把⼤地劈开⼀样，⽽且通常都是在⾬天来临之际，因为空⽓湿度⼤易形成导电通到。

那么，如何防⽌静电放电损伤呢？⾸先当然改变坏境从源头减少静电(⽐如减少摩擦、少穿⽺⽑类⽑⾐、控制空⽓温湿度等)，当然这不是我们今天讨论的重点。

我们今天要讨论的时候如何在电路⾥⾯涉及保护电路，当外界有静电的时候我们的电⼦元器件或系统能够⾃我保护避免被静电损坏(其实就是安装⼀个避雷针)。

这也是很多IC设计和制造业者的头号难题，很多公司有专门设计ESD的团队，今天我就和⼤家从最基本的理论讲起逐步讲解ESD保护的原理及注意点，你会发现前⾯讲的PN结/⼆极管、三极管、MOS管、snap-back全都⽤上了。

正向导通反向截⽌(不记得就去翻前⾯的课程)，⽽且反偏电压继续增加会发⽣雪崩击穿(Avalanche Breakdown)⽽导通，我以前的专题讲解PN结⼆极管理论的时候，就讲过⼆极管有⼀个特性：正向导通反向截⽌们称之为钳位⼆极管(Clamp)。

ESD结构防护设计的主要目标是确保电子系统的功能可靠性，避免ESD（静电放电）对系统产生干扰或损坏。

以下是一些常见的ESD防护设计方法：
1. 隔离和接地：将ESD敏感器件隔离并接地可以有效地防止ESD 对系统的影响。

这可以通过在电路板上的敏感区域设置ESD防护器件，如TVS二极管、齐纳二极管等来实现。

2. 滤波器：在电源和信号线路上设置滤波器可以有效地减少ESD 产生的噪声干扰。

这可以通过使用LC滤波器、RC滤波器或者铁氧体磁珠等来实现。

3. 屏蔽：使用金属屏蔽材料将ESD敏感器件或电路板包裹起来，可以有效地防止ESD电磁场对系统的影响。

这可以通过在PCB上设置金属罩或者使用金属盒等方式来实现。

4. 限流：在ESD防护器件上设置限流电阻可以有效地限制ESD 电流的幅度，从而保护敏感器件或电路。

这可以通过在TVS二极管或齐纳二极管上串联限流电阻来实现。

5. 保护电路：在电路中添加保护电路可以防止ESD对电路的影响。

这可以通过在电路中添加电压钳位器件、过压保护器件等来实现。

6. 人体放电：在人体放电模型（HBM）下，通过设置放电电阻、电容等元件，可以有效地将人体静电放电引入到地线中，从而避免对系统的影响。

以上是一些常见的ESD防护设计方法，但具体的防护方案需要根据具体的系统和应用场景来确定。

摘要静电放电(简写为ESD)是集成电路(简写为IC)在制造、运输、以及使用过程中经常发生并导致IC芯片损坏或失效的重要原因之一。

工业调查表明大约有40％的IC失效与ESD/EOS(过强的电应力)有关。

因此，为了获得性能更好更可靠的IC芯片，对ESD开展专门研究并找到控制方法是十分必要的。

随着芯片尺寸的持续缩小，ESD问题表现得更加突出，已成为新一代集成电路芯片在制造和应用过程中需要重视并着力解决的一个重要问题。

论文论述了CMOS集成电路ESD 保护的必要性，研究了在CMOS电路中ESD 保护结构的设计原理，分析了该结构对版图的相关要求，重点讨论了在I/O电路中ESD 保护结构的设计要求。

论文所做的研究工作和取得的结果完全基于GGNMOS的器件物理分析，是在器件物理层次上研究ESD问题的有益尝试；相对于电路层次上的分析结果，这里的结果更加准确和可靠，可望为GGNMOS ESD保护器件的设计和制造提供重要参考。

关键词：静电放电(ESD)；接地栅NMOS；保护器件；电源和地AbstractThe electrostatic discharge (ESD) is integrated circuit (IC) in manufacturing, transportation, and use process occurs frequently and cause IC chips damage or failure of one of the important reasons. Industrial survey shows that about 40 percent of IC failure and ESD/EOS (overpowered electrical stress) relevant. Therefore, in order to obtain better performance more reliable IC chips, to carry out special research and find the ESD control method is very necessary. Along with the continuous narrowing, chip size behaved more prominent ESD problems, has become a new generation of integrated circuit chip in the manufacture and application process needed to pay attention to and addressing an important question.This paper discusses the CMOS integrated circuit, the necessity of ESD protection in CMOS circuit was studied in the structure of ESD protection design principle, analyzes the structure on the map the relevant requirements, especially discussed in the I/O circuit ESD protection structure design requirements.Keywords:Electrostatic Discharge, GND gate NMOS, Protected Device, Power and Ground目录摘要 (1)Abstract (2)第1章绪论 (4)1.1 集成电路的发展状况 (4)1.1.1 集成度的提高 (4)1.1.2 摩尔定律 (4)1.2 集成电路中的ESD保护 (5)1.2.1 为何出现ESD (5)1.2.2 ESD保护的必要性 (5)第2章关于版图设计与版图设计环境的介绍 (7)2.1 集成电路版图设计 (7)2.2 版图结构 (7)2.3 版图设计流程与方法 (8)2.4 版图设计环境 (8)2.4.1 Technology file 与Display Resource File 的建立 (9)2.4.2 Virtuoso工具的使用 (9)第3章CMOS电路的ESD保护结构版图设计 (13)3.1 CMOS电路中ESD测试 (13)3.2 ESD保护原理 (14)3.3 CMOS电路ESD保护结构的设计 (14)3.3.1 CMOS电路ESD保护器件 (15)3.4 CMOS电路ESD保护结构的版图设计 (16)3.4.1 版图设计原则 (16)3.4.2 ESD保护结构版图设计 (17)第4章结束语 (18)参考文献 (19)致谢 (20)第1章绪论1.1 集成电路的发展状况1.1.1 集成度的提高真正导致数字集成电路技术发生革命性变化的是半导体存储器和微处理器的引入。

结构防ESD的设计------ODM ODM事业部设计中心拟制:卓建寿 会签:审核: 刘 军数字签名者：刘 军 DN：cn=刘 军, o=硬件设 计所, ou=设计中心, email=L.J@, c=CN 日期：2014.11.03 10:35:02 +08'00'2014.10.3 1 17:30:42 +08'00'2014年10月28日目 录一、什么是ESD 二:ESD通过五种耦合途径进入电子设备: 通过五种耦合途径进入电子设备 三:静电防护的有效方法: 四、自制屏模组部分结构防ESD设计 五、结构IR 部分防ESD设计 六、结构KEY 部分防ESD设计 七、其它结构防ESD设计一、什么是ESDESD是代表英文ElectroStatic Discharge即"静电放 电"的意思 电 的意思。

简单说，ESD就是电荷的快速中和。

我 简单说 ESD就是电荷的快速中和 我 们知道所有的物质都由原子构成，原子中有电子和 质子 当物质获得或失去电子时 它将失去电平衡 质子。

当物质获得或失去电子时，它将失去电平衡 而变成带负电或正电，正电荷或负电荷在材料表面 上积累就会使物体带上静电 这种静电电荷的快速 上积累就会使物体带上静电。

这种静电电荷的快速 中和称为静电放电，由于其速率很快，而且在放电 时的电阻一般很小 时的电阻 般很小，往往会造成瞬时大电流，可能 往往会造成瞬时大电流 可能 超过20安培。

这种放电如果经过集成电路，这么大 的电流往往会对电路造成损害。

的电流往往会对电路造成损害 ESD产生电流可直接穿透设通过孔洞、缝隙、输 入输出电缆等耦合到电路 造成整机元器件失效。

入输出电缆等耦合到电路,造成整机元器件失效二:ESD通过五种耦合途径进入电子设备: 1、容性耦合: 初始的电场容性耦合到表面积较大的网络上，并在离ESD电 弧100mm处产生高达4000V/m的高压。

esd保护电路结构
ESD（Electrostatic Discharge）保护电路结构是用来防止静电
放电对电路元件和系统造成损坏的电路结构。

常见的ESD保护电路结构包括：
1. 防护二极管（Clamping Diodes）：将静电放电电流导向地，以减小对电路的影响。

常用的防护二极管有Zener二极管和快
恢复二极管等。

2. 防护电阻（Current Limiting Resistor）：通过限制电流大小，来保护后面的电路。

通常将防护电阻放置在输入信号的路径上。

3. 防护电容（Clamping Capacitor）：通过存储能量来限制静
电放电电流的上升速度，减小对电路的冲击。

4. 防护金属屏蔽（Metal Shielding）：将整个电路或者关键部
分用金属屏蔽罩包裹起来，以防止外部静电电场对电路的干扰。

5. 防护元器件的布局和接地：合理布局元器件，控制其间距和封装，以减小静电放电对元器件的影响。

同时，合理接地可以将静电电荷导向地，减小对电路的影响。

ESD保护电路结构的具体设计需要考虑电路的工作条件、性
能要求以及静电放电的特点等因素，以提供有效的保护。