双极性集成电路的ESD保护

摘要：描述IC的ESD保护方案；

关键词：ESD保护；双极集成电路

概述

集成电路需要抗静电保护电路，一些保护电路是内置的，一些保护措施则来自具体的应用电路。为了正确保护IC，需要考虑以下内容：

・对IC造成ESD的传递模式

・IC内部的ESD保护电路

・应用电路与IC内部ESD保护的相互配合

・修改应用电路提高IC的ESD保护能力

IC内部的ESD保护可以阻止传递到芯片内部敏感电路的较高能量，内部钳位二极管用于保护IC免受过压冲击。应用电路的外部去耦电容可将ESD电压限制在安全水平。然而，小容量的去耦电容可能影响IC的保护电路。如果使用小去耦电容，通常需要外部ESD电压钳位二极管。

ESD传递模式

ESD电平用电压描述，这个电压源于与IC相连的电容上的储存电荷。一般不会考虑有上千伏的电压作用于IC。为了评估传递给IC的能量，需要一个模拟放电模型的测试装置。

ESD测试中一般使用两种充电模式，人体模式(HBM)下将电荷储存在人体模型(100pF等效电容)中，通过人体皮肤放电(1.5kΩ等效电阻)。机器模式(MM)下将电荷储存在金属物体，机器模式中的放电只受内部连接电感的限制。

以下概念对于评估集成电路内部的ESD传递非常有用：

1、对于高于标称电源的电压来说，IC阻抗较低。

IESD=VESD/Z　ZHBM=1.5Ω

2、在机器模式下，电流受特征阻抗(约50Ω)的限制。

ZMM=V/I=L/C0

低阻能量损耗：

E=1/2C0×V2和E=1/2L×I2

3、如果ESD电流主要流入电源去耦电容，施加到IC的电压由固定电荷量决定：

Q=c×V和QFinat=QInitial

V1(C0+C1)=VESD×CO

4、能够在瞬间导致IC损坏的能量相当于微焦级，有外部去耦电容时，这一考虑非常重要：

E=1/2C1×V12

5、耗散功率会产生一定热量，假设能量经过一段较长的时间释放掉，随之降低热量。

P=E/t

ESD能量传递到低阻时可以考虑其电流(点1和2)；对于高阻而言，能量以电压形式传递，为IC的去耦电容充电(3)。对IC造成损坏的典型能量是在不到一个毫秒的时间内将微焦级能量释放到IC(4和5)。

IC内部保护电路

标准保护方案是限制到达IC核心电路的电压和电流。图1所示保护器件包括：

・ESD二极管：在引脚与电源之间提供一个低阻通道。

・电源钳位：连接在电源之间，正常供电条件下不汲取电流，出现ESD冲击时呈低阻。