分析ESD保护电路设计工程经验

课程名称：集成电路版图设计穿、抗闩锁、寄生小、面积小、工艺兼容等特点[6,7]，且在深亚微米互补性氧化金属半导体CMOS工艺中，ESD保护电路由于要承受大电流或大电压的保护，通常把管子做得比较大，以实现I/O输入输出ESD保护、电源钳位ESD 保护和轨到轨ESD保护。

因此ESD保护电路的设计需要结合实际情况与应用需求，再综合考虑以上各个因素，才能设计出具有较好鲁棒性指标的保护电路。

除了要有较好鲁棒性的ESD保护电路外，我们还需注意一些外接引脚所引起的静电效应，做到电路（软件）和硬件的完美结合。

在集成电路的引脚中，除了少数一些自己能抵抗ESD 的引脚外，我们都需要将他们接到衬底或扩散层上去，比如说NPN 管的集电极，这些面积较大的结能在静电荷聚积到足以破坏器件之前吸收掉它们。

而在提供电源或大功率的引脚上，我们可以多接一些扩散层。

又由于那些直接连接到MOS 管栅极的的引脚很容易形成ESD 的介电体，因此必须有一些特别的保护结构设计在这些引脚上，比如我们可以用一些大的电阻（500Ω~5KΩ）或者是使电流不经过没有任何连接的发射极而直接接到外部的衬底上[8]。

3.2传统的静电保护电路和版图设计传统的方法是利用了TVS二极管的特性来保护电路免受ESD的冲击。

TVS全称是瞬态抑制二极管（Transient V oltage Suppressor），是一种二极管形式的高效能保护器件。

当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10的负12次方秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。

图1 电路中的TVS二极管如图2所示，传统的静电保护电路一般设计在芯片的管脚旁边，静电保护源和地，这样保证PMOS 和NMOS 在芯片正常工作时候处于关闭状态，这种类型的静电保护电路存在二个寄生二极管（TVS），当IO 到VCC 放生正静电时候，静电通过上面的寄生二极管正向通道泄放，当IO 到GND发生正静电时候，N+（漏端）-P+（衬底）-N+（源端）形成寄生NPN，静电通过这个寄生三极管泄放，当IO 到GND 发生负静电时候，静电通过下面的寄生二极管正向导通泄放，当IO 到VCC 放生负静电时候，静电没有合适的泄放通路。

要点三
保障操作人员安全
ESD保护不仅对电子设备本身重要， 还可以减少操作人员遭受静电危害的 风险，保障生产过程的安全性。
ESD保护的基本原理
抑制静电产生
01
通过在地线和信号线等部位增加抑制元件，如TVS二极管等，
以抑制静电的产生和传播。
提前泄放静电
02
通过在器件的某个部位设置导电通路，让静电提前从泄放口泄
05
ESD保护实例分析
基于二极管的ESD保护实例
总结词
简单、成熟、可靠性高、成本低
详细描述
基于二极管的ESD保护器件是最常见的保护方案，其结构简单，成本低，可靠 性高，适用于各种电路和系统。当ESD冲击来临时，二极管能够迅速响应并泄 放电流，从而保护电路不受损坏。
基于MOSFET的ESD保护实例
衬底触发不仅需要能够启动ESD保护机制，还需要能够控制ESD保 护机制的运行。
04
ESD保护策略优化
工艺优化
总结词
降低成本、提高性能
详细描述
工艺优化包括改进制造过程和采用更先进的工艺技术，以降低生产成本和提高性 能。例如，使用更先进的纳米工艺技术可以提高芯片的集成度和性能，同时降低 功耗和成本。此外，优化工艺参数也可以提高芯片的稳定性和可靠性。
钳位电路的响应速度
钳位电路需要在ESD冲击到来时，迅速、准确地启动保 护机制，以避免ESD损害。
衬底触发设计
衬底触发的敏感度
衬底触发需要能够在ESD冲击到来时，迅速、准确地启动ESD保 护机制。
衬底触发的稳定性
衬底触发在设备生命周期内应始终保持稳定，不能出现误触发或 漏触发的情况。
衬底触发的控制能力
其他ESD保护器件
放电管（GDT）

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。

用于产生静电电荷，模拟人体或 物体带电的情况。
放电枪
用于将电荷传递给被测设备，模拟 人体或物体接触电子设备的过程。
测量仪器
用于监测和记录被测设备的电气性 能变化，评估ESD对电子设备的影 响。
PART 03
ESD设计对策
防静电材料选择
防静电材料
选择具有良好导电性能和防静电性能的材料，如金属、 导电橡胶等，以减少静电的积累和释放。
检查内容
检查周期
维护措施
ESD防护效果的评估与改进
评估方法
通过静电测试、模拟实验等方式进行评估。
评估周期
一般建议每季度进行一次评估。
改进措施
根据评估结果，对ESD防护措施进行优化和改进。
WENKU DESIGN
WENKU DESIGN
2023-2026
END
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KEEP VIEW
02
模拟机器和设备带电放电的过程，用于测试电子设备在非人体
接触时可能受到的静电影响。
充电器件模型（CDM）
03
模拟带电物体的放电过程，用于测试电子设备在接触带电物体
时可能受到的静电影响。
ESD测试等级
1级
低过电压（±250V）
2级
中过电压（±400V）
3级
高过电压（±600V）
ESD测试设备
电荷发生器
元件布局与布线
合理安排元件的布局和布 线，减小不同元件之间的 电位差，降低ESD产生的 可能性。
接地与等电位连接
接地系统
建立良好的接地系统，确 保设备和人员的安全。
等电位连接
将设备的外壳、屏蔽层、 安全地线等连接在一起， 形成等电位体，以减小电 位差和电流。