ESD放电模式以及电源箝位 (power clamp )电路

原创 已于 2023-07-20 10:09:21 修改 · 1.8w 阅读 · 178 ·
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#CMOS

于 2023-07-18 20:32:32 首次发布
文章详细阐述了ESD的基本概念和放电模式，包括I/O端与电源、地端的不同组合，强调了电源箝位电路在ESD防护中的关键作用，介绍了采用二极管、RCpowerclamp等组件的电路设计策略，以及全芯片ESD保护电路系统框图，旨在确保芯片在ESD事件中的安全。

目录

1.ESD的基本概念

2.ESD放电模式与泄放路径

2.1 I/O端与 Vcc或者 I/O端与 Vss

 2.2    I/O端与 I/O端

2.3 Vcc（电源端）与Vss（地端）

 2.4不同类型电压源

3. 电源箝位 (power clamp )电路

4.全芯片ESD保护电路系统框图

参考文献：

1.ESD的基本概念

2.ESD放电模式与泄放路径

2.1 I/O端与 Vcc或者 I/O端与 Vss

 2.2    I/O端与 I/O端

2.3 Vcc（电源端）与Vss（地端）

 2.4不同类型电压源

上图2-12中所示ESD防护网络仅适合等电压的多电源域之间使用，对于不等电压的多电源域，采用单个背靠背二极管的防护器件显然是行不通的，若两电源域的电压差大于

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ESD Clamp cell是什么？
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ESD CLAMP cell（静电放电钳位单元）是一种专门设计来保护集成电路（IC）免受静电放电（ESD）损害的电路元件。静电放电是在电子设备的组件之间或内部发生的突然电流放电，它可能会损坏电路或降低其性能。通过在设计阶段集成ESD CLAMP cells，可以显著提高产品的可靠性和耐用性，减少因ESD造成的故障和退货。ESD CLAMP cells在几乎所有需要ESD保护的IC设计中都非常重要。工作而不影响电路性能的ESD保护解决方案变得越来越有挑战性。，这些领域的电路对ESD特别敏感。
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当金属外壳接地情况下，大部分外部干扰信号将会通过外壳，外壳到接地点，再由接地点回到干扰信号的地，实现干扰信号的回流，这点不仅仅适用于​ESD，对于其他的RI类干扰，也同样适合。发现内部金属板跟外壳的搭接处存在较多的缝隙点，该缝隙点对于频率较高的信号能够实现较为理想的回流，但是对于频率没有那么高的信号，则较难以实现回流，我们尝试将这些缝隙用铜箔包裹住，充分降低该金属板跟外壳的接触阻抗​。我们分析，路径3其实是不期望的路径，我们最期望的路径是1，或者2的内部金属部件跟外壳良好接触情况下的路径。
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本产品金属机箱上下壳体之间存在缝隙，此时静电电流泄放路径上阻抗很高，因此，上壳体和手部训练器做接触放电时电荷将在上壳体积累，随着电量的升高，将在上壳体和内部电路之间建立电场，随着电场增强，就会将ESD干扰带入电路内部，如图所示。产品接触放电时，因为静电是共模干扰，因此放电电流将沿着机箱壳体，通过PE地线到实验室水平参考接地平板，然后返回源头。理想情况下，确定静电电流泄放路径时，可以将设备的外壳平铺开，沿放电点到设备接地点画条直线，一般来说，这条直线就是ESD电流的泄放路径。连接不畅地方加导电橡胶条。
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摘自网络 1、并联放电器件。 常用的放电器件有TVS，齐纳二极管，压敏电阻，气体放电管等。如图 1.1、齐纳二极管（ Zener Diodes ，也称稳压二极管 ） 。 利用齐纳二极管的反向击穿特性可以保护 ESD敏感器件。但是齐纳二极管通常有几十 pF 的电容，这对于高速信号（例如 500MHz）而言，会引起信号畸变。齐纳二极管对电源上的浪涌也有很好的吸收作用。 1.2、瞬变电压消除...
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这些放电控制电路可以用于许多不同的应用，比如控制电池的放电速率、控制电容器的放电时间、控制LED灯的亮度等。在设计放电控制电路时，需要根据具体应用的要求选择合适的电路方案，并注意电路的安全性和稳定性。3. MOSFET放电电路：这种电路使用一个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）来控制电路的放电。2. SCR放电电路：这种电路使用一个可控硅元件（SCR）来控制电路的放电。1. RC放电电路：这种电路使用一个电阻和一个电容器，通过改变电阻或电容的值来控制放电速率。
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基于可能发生的ESD事件分析,ESD可能会发生在I/O、PIN与电源和地之间，也会发生在不同的I/O PIN之间，也可能出现在电源和地之间，因此对于ESD保护电路的设计需要考虑所有可能发生ESD的情形。（4）ESD保护结构的设计要在电路的ESD性能、芯片面积、保护结构对电路特性的影响如输入信号完整性、电路速度、输出驱动能力等进行平衡考虑设计，还需要考虑工艺的容差，使电路设计达到化;在集成电路设计中加入ESD保护电路，当ESD来的时候，ESD保护电路发挥保护效果，避免集成电路内的元件被ESD损伤。
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### 电源箝位 (Power Clamp) 的技术原理与应用 #### 什么是电源箝位？ 电源箝位是一种用于保护电子设备免受瞬态电压影响的技术。其核心功能是在电路中的电压超过预定阈值时，迅速将多余的能量引导至安全路径，从而防止敏感元件受到损害[^1]。 #### 工作原理 电源箝位的工作机制基于触发电压（Trigger Voltage）的概念。当输入电压达到或超过设定的箝位电压时，箝位装置会导通并形成低阻抗路径，使多余的电流绕过被保护的电路组件。这种行为类似于二极管的正向导通特性，但在更高的电压范围内工作。常见的实现方式包括利用齐纳二极管、TVS（Transient Voltage Suppressor）二极管以及特定设计的半导体结构来完成这一过程[^1]。 具体来说，针对 Trigger Voltage 调整的核心在于优化反偏 PN 结的空间电荷区电场分布。这可以通过调节掺杂浓度或者改进拓扑结构达成目标性能指标。 #### 应用场景 1. **消费电子产品** 在手机充电器或其他便携式设备中，为了满足 CoC v5 和其他能效标准的要求，同时保持良好的 EMI 性能，通常会在电源管理模块中集成高效的箝位方案以应对浪涌冲击等问题[^2]。 2. **高速信号传输线路保护** 对于采用 50Ω 特性阻抗设计的数据链路而言，如果存在反射波形引起的振荡现象，则可通过合理配置终端匹配网络降低此类干扰的影响。此时，适当引入箝位措施有助于进一步增强系统的稳定性[^3]。 3. **工业自动化领域** 复杂环境下运行的各种传感器节点可能面临更严苛的工作条件，因此需要更加可靠的防护手段对抗外部电磁环境变化带来的威胁。 以下是 Python 实现的一个简单模拟例子展示如何计算理想情况下的箝位效果： ```python def calculate_clamp_voltage(input_voltages, threshold): clamped_values = [] for voltage in input_voltages: if voltage > threshold: clamped_values.append(threshold) else: clamped_values.append(voltage) return clamped_values input_signal = [12, 18, 24, 30, 36] threshold_value = 20 clamped_output = calculate_clamp_voltage(input_signal, threshold_value) print(f"Input Signal: {input_signal}") print(f"Clamped Output with Threshold={threshold_value}: {clamped_output}") ``` 该脚本定义了一个函数 `calculate_clamp_voltage` 来处理一系列输入电压数据，并按照给定门限值执行相应的箝位操作。 ---
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