作者：Jeffrey Dunnihoo
應用工程師
CMD公司
電路制造商持續不斷地縮小它們的器件中的晶體管、互連和絕緣層的最小尺寸，從而使高速器件的結構更小，最終導致器件在較低的能級也更易于因擊穿效應而損壞。
新的高級
HDMI(高清晰多媒體接口)功能處理具有明顯的復雜性之外，想當然地采用簡(jiǎn)單的ESD(靜電放電)單元可能會(huì )導致延遲和成本超出限度，并且可能在消費電子產(chǎn)品上市之前難以顯著(zhù)地發(fā)現問(wèn)題。應對這些簡(jiǎn)單ESD的問(wèn)題的解決方案可能比補久復雜的問(wèn)題更耗費成本和時(shí)間。
早期在設計周期中的“丟棄”各種ESD器件的選擇，如離散元器件或PCB堆疊定義，可能常常比深奧的縮放和鏈路層設計或HDMI
ASIC選擇問(wèn)題更為重要。通過(guò)下面對HDMI設計中ESD問(wèn)題的討論(見(jiàn)性能尺度和ESD陷阱)，你將輕易地避免許多對
ESD保護元器件的錯誤理解。
本文分為兩個(gè)部分來(lái)探討系統ESD保護的設計問(wèn)題，第一部分介紹保護選項和規范；第二部分介紹在ESD保護選擇中涉及的總的信號完整性問(wèn)題。
雖然在
HDMI 1.3中實(shí)現了較高的分辨率和像素深度，集成電路制造商已經(jīng)持續地縮小了它們的器件中的晶體管、互連和SiO2絕緣層的尺寸。這就導致高速器件的結構更小，因而在較低的能級也易于受到擊穿效應的破壞。在發(fā)生ESD的時(shí)候，SiO2層很可能斷裂，金屬線(xiàn)很可能開(kāi)路或橋接。
HDMI接收器和發(fā)射器將包括一些用于受控制造環(huán)境的片上ESD保護功能，但是，典型的實(shí)際ESD攻擊可能傳遞高達30A的峰值電流，而足夠的I2R將永久性地破壞在深亞微米HDTV接收器或DVD發(fā)射器IC (見(jiàn)圖1)中比較小的輸入嵌位二極管。在寒冷的圣誕節早晨，站在地毯上把新的視頻游戲機插入到家用電視時(shí)，業(yè)界標準IEC 61000-4-2估計處理這樣的ESD脈沖需要采用8KV的ESD保護器件。
為了經(jīng)受可重復的測試，必須采用更大的外部ESD保護箝位器件，以便在不破壞HDMI(或其它I/O)IC的前提下，把該能量旁路到地。這些外部模擬箝位器件的制造尺寸通常由功率處理容量來(lái)規定，并不會(huì )從標準的工藝縮放中獲得成本改進(jìn)。實(shí)際上，這些8KV ESD保護箝位器件由于采用較老、較大幾何尺寸的工藝制造，因而成本效益更高。
與此同時(shí)，在PCB上的受控阻抗微帶TMDS互連可能成為HDTV或DVD設計中某些最重要的信號完整性問(wèn)題的焦點(diǎn)。隨著(zhù)比特率的攀升，互連路徑的帶寬可能很快成為削弱重要諧波成分的瓶頸，這些重要諧波的頻率可能比TMDS基波要高4-5GHz。
所以，系統設計工程師面對的問(wèn)題發(fā)展包括兩個(gè)領(lǐng)域：(1)添加保護電路，以便在ESD沖擊期間把破壞性的能量從精巧的ASIC旁路；(2)在正常的工作過(guò)程中維持互連的信號完整性。
ESD保護系統的交互作用
ESD沖擊脈沖的帶寬很寬、上升時(shí)間很短且峰值能量很大。一旦這種能量進(jìn)入HDMI電纜或連接器，ESD保護器必須把沖擊電流與ASIC隔開(kāi)。
圖1：IEC 61000-4-2脈沖形狀
當ESD保護器開(kāi)始箝位時(shí)，它把電流旁路到地(或流出地)。與此同時(shí)，ASIC已經(jīng)看到一些這種上升沿，并可能也開(kāi)始傳導。這種電流的共享是系統級ESD設計中的關(guān)鍵要素，它不能僅僅根據一個(gè)元器件的數據表來(lái)指定。
此外，還有許多其它的可重復測試方法，包括IEC的箝位電壓和傳輸線(xiàn)脈沖(TLP)測試方法都被用于證明給定元器件的電氣特性。但是，在數據表中，唯一可以顯示的就是作為被測器件(DUT)的ESD保護器。顯然，這種情形在真實(shí)的系統中實(shí)際上不可能發(fā)生，因為不可能在某個(gè)節點(diǎn)上放置一個(gè)沒(méi)有任何其它受保護電路的ESD保護器。
為了理解何處(及何時(shí))ESD能量被耗散掉，考察瞬時(shí)箝位電壓以及流經(jīng)被保護器件(DUP)ASIC的ESD脈沖產(chǎn)生的剩余電流就很有趣(見(jiàn)圖2)。這種交互作用在數據表中沒(méi)有，因為它完全取決于DUP和DUT之間的交互作用。
圖2：Iresidual的概覽
系統ESD的實(shí)例
兩塊電路板采用相同的ESD保護元器件和兩個(gè)不同的ASIC DUP。
表1：相同的ESD保護箝位和不同的ASIC
經(jīng)過(guò)測試發(fā)現，系統A經(jīng)受了8KV沖擊而未受破壞，但是系統B實(shí)際上在3KV沖擊就失效了。這是違反直覺(jué)的，當然，因為根據對數據表的匆忙核查，看起來(lái)采用最高單獨ESD保護額定值的系統完全能夠滿(mǎn)足最嚴酷的系統使用環(huán)境的要求，而實(shí)際情況并不總是這樣。
ASIC A沒(méi)有任何嚴格的內部高壓箝位，大部分受所施加的脈沖的支配。門(mén)柵和金屬層僅僅能夠承受施加到它們上面的電壓，而500V HBM指標僅僅反映該工藝可以承受的極限。然而，如果在系統中與連接器附近的外部ESD保護箝位器件一起布線(xiàn)，ESD保護箝位一定會(huì )把脈沖電壓施加的所有電流中的大部分旁路掉。由脈沖產(chǎn)生的所有的可感測的I2R加熱被ESD保護器耗散，從而不會(huì )對ASIC造成影響。
ASIC B具有快速響應和小幾何尺寸的二極管箝位器件，幾乎與并聯(lián)的ESD保護器同時(shí)開(kāi)始傳導電流。即使ESD保護器仍然耗散了大約80%的功率，這顆ASIC上的箝位二極管器件很快就會(huì )燒毀，把該節點(diǎn)短路，然后，承受所有其它的脈沖和后續脈沖。然而，相關(guān)的接口現在卻不可使用，或許要重啟一部電源，從而造成整個(gè)系統癱瘓。
圖3：ASIC影響系統的性能
更糟糕的是，因為ESD輸入阻抗可能比50歐的走線(xiàn)阻抗高很多，ESD保護器和ASIC的動(dòng)態(tài)阻抗可能會(huì )下降到幾個(gè)歐姆，然后，在系統中的ASIC DUP可能實(shí)際上出現峰值電平較高的反射和振鈴，該電平比地到引腳元器件測試產(chǎn)生的峰值電平要高。
ESD保護陷阱決定系統級性能
此外，提高ESD保護的額定電壓的一種折衷辦法是提高DUT的動(dòng)態(tài)阻抗，從而限制在給定沖擊電壓下ESD保護器要支撐的電流(見(jiàn)表2)。當然，能量必須被耗散掉，那就意味著(zhù)ASIC DUP必須：要么耗散掉額外的能量，要么盡早損壞！在這種情形下，相對具有小得多的動(dòng)態(tài)箝位阻抗的系統Y而言，具有8KV保護器的系統X可能具有較低的系統ESD保護性能。
在此，重要的是在評估系統級ESD保護性能之前，考慮所有元器件之間的交互作用。
表2：由于箝位掉的能量較少，可能要采用額定電壓更高的ESD保護元器件
所以，要記住的關(guān)鍵一點(diǎn)是：每一個(gè)元器件都選擇最高的額定參數，并不一定就能獲得所需要的ESD保護性能，但是，要在開(kāi)發(fā)初期把這些元器件放在系統中進(jìn)行評估和比較。
數據表的逐條比較
由于被測偏置點(diǎn)、頻率范圍、差異性或未定義的脈沖測量條件的不一致，要從數據表比較著(zhù)手總是有困難的。此外，由于元器件數據表只能表示電路的外在性能參數，設計工程師預測系統內在性能的工作被復雜化了，并且系統的版圖設計和交互作用問(wèn)題不能完全僅僅從ESD保護元器件的角度來(lái)定義。
比較兩個(gè)元器件的最佳辦法是在基準上逐條比較。
盡管許多半導體公司已經(jīng)堅持采用非正式的表達標準來(lái)報告采用行業(yè)標準進(jìn)行測試所得到的結果，但是，大多數實(shí)際系統的性能完全不能僅僅通過(guò)ESD保護元器件來(lái)預測。
對你來(lái)說(shuō)，要借助于一兩條法則來(lái)作出決策是不可能的。即使對僅僅有幾個(gè)引腳和若干參數的一個(gè)元器件，也要遵循墨菲定律。
你的ESD保護元器件供應商應該幫助你選擇產(chǎn)品和版圖，以便根據你選擇的HDMI ASIC所需要的保護來(lái)提供最佳的整體系統性能。你可能需要調節ESD保護箝位器件的布局和布線(xiàn)，或選擇一種不同的ESD保護箝位拓撲。
要索取安裝了你計劃采用的所有元器件的評估板或產(chǎn)品板。不要指望從供應商Y那里獲得的下一批HDMI ASIC的ESD性能跟你現在的系統一樣。盡管他們提供的經(jīng)過(guò)降低成本和改進(jìn)性能的設計仍然滿(mǎn)足芯片級的ESD保護處理規范，但是，你的網(wǎng)絡(luò )系統級ESD保護性能卻可能不穩定。
