本博客是手機 ESD 保護系列的第 1 部分。該系列共分為 3 部分。

靜電放電(ESD) 現(xiàn)象從一開始就存在。我們第一次接觸 ESD 往往是在孩童時代，在干燥的冬日觸碰金屬門把手時，會有種觸電的感覺——這就是靜電放電。這種短暫的不適感通常對人類來說不是問題，但是即使是少量的 ESD 也有可能會損毀敏感電路。

手機設(shè)計人員一直都面臨著何時以及如何解決這一自然現(xiàn)象的挑戰(zhàn)。本博客解釋了系統(tǒng)級 ESD 保護為何如此重要，同時使大家能夠了解提高移動設(shè)備中系統(tǒng)級 ESD 保護的測試模型和戰(zhàn)略。

ESD 模型和波形的測試

人體和衣服一天可存儲 500 V 至 2,500 V 靜電電荷，但是人類只能感受到 3,000 至 4,000 V 的 ESD 脈沖。這遠(yuǎn)高于電子電路受損的水平，即使人類無法檢測到。

設(shè)計人員必須從多方面解決 ESD 問題，對組件制造商來說，是在其設(shè)計階段和設(shè)計工作結(jié)束之時。簡而言之，ESD 保護需要一種多層面方案。

通常，集成電路 (IC) 制造商按照 ESD 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、測試和驗證其 IC。這可防止在 IC 生產(chǎn)或在 PC 板上組裝時出現(xiàn)物理損壞。針對 ESD，通常進行的兩種測試包括：

人體模型(HBM)。這種測試模擬人體通過接觸 IC 釋放所積累的靜電的 ESD 事件。采用一個帶電的 100 pF 電容和一個 1.5 k? 放電電阻進行模擬。

帶電設(shè)備模型(CDM)。這種測試模擬在生產(chǎn)設(shè)備和工藝中發(fā)生的充電和放電事件。設(shè)備在一些摩擦工藝中或靜電感應(yīng)過程中獲得電荷，然后突然接觸到一個接地物體或表面。

雖然設(shè)備級測試有助于衡量 IC 的 ESD 穩(wěn)健性，但系統(tǒng)級測試可衡量現(xiàn)場的電子設(shè)備保護（即原始設(shè)備制造商 [OEM] 設(shè)備或終端產(chǎn)品）。

為了更好地了解最終產(chǎn)品所需的 ESD 保護，OEM 應(yīng)采用系統(tǒng)級ESD方法進行設(shè)計，然后按照國際電工委員會(IEC)ESD 標(biāo)準(zhǔn) 61000-4-2 測試最終產(chǎn)品。IEC 61000-4-2被視為終端產(chǎn)品 ESD 測試和評級的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該測試可確定系統(tǒng)對現(xiàn)場外部 ESD 事件的易損性。

下圖比較了三種脈沖的能量和峰值電流：

系統(tǒng)級 IEC 61000-4-2

設(shè)備級 HBM

設(shè)備級 CDM

IEC ESD 事件脈沖顯然更強，因此系統(tǒng)中的設(shè)備更加難以通過。盡管設(shè)備級測試（HBM 和 CDM）比較有用，且可提供 ESD 穩(wěn)健性的基準(zhǔn)，但在系統(tǒng)級 IEC 測試期間并不總是能夠確定生存性。

為進一步展示這一概念，下表顯示了組件測試和系統(tǒng)級 IEC 測試之間的差異。大家可以看到，差異很大，系統(tǒng)應(yīng)力水平更高?？偠灾狠^之于設(shè)備級設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計必須滿足更嚴(yán)苛的要求。

測試不充分的問題

在開發(fā)階段進行系統(tǒng)級 ESD 測試可能會是個問題。例如，測試評估/不完整板組件上的 ESD 并不能代表所有情況。這些組件的結(jié)果并不保證完整系統(tǒng)的最終結(jié)果。

設(shè)備級 ESD 測試（即 HBM 和 CDM）旨在通過適當(dāng)?shù)?ESD 控制在工廠生成適合分立式組件的可重復(fù)且可再現(xiàn)的結(jié)果。這就是所謂的ESD保護區(qū)(EPA)。然而，這些測試并不是為了解決現(xiàn)實世界中 EPA 范圍之外的全部產(chǎn)品級 ESD 事件。

實現(xiàn)產(chǎn)品穩(wěn)健性的關(guān)鍵：系統(tǒng)級 ESD

相反，ESD 穩(wěn)健型系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是要考慮 ESD 在系統(tǒng)中的影響。為了獲得系統(tǒng)級視角，設(shè)計人員必須了解并解決以下問題：

系統(tǒng)級應(yīng)力事件及其對整個產(chǎn)品的影響。設(shè)備級 ESD 測試結(jié)果只能為系統(tǒng) ESD 設(shè)計提供非常少的信息，因為它們無法反映電子設(shè)備在 IEC ESD 事件期間經(jīng)歷了什么。

系統(tǒng)中板級相互作用，以及在 ESD 應(yīng)力作用下與電子部件外部接觸的引腳瞬態(tài)行為。

高效的表征化方法（如組件級傳輸線路脈沖(TLP)數(shù)據(jù)），用于分析 IC、板和系統(tǒng)的相互作用。

系統(tǒng)級 ESD 保護戰(zhàn)略取決于物理設(shè)計、產(chǎn)品要求和產(chǎn)品成本。

深入了解
進一步了解系統(tǒng)級 ESD：

MSP430系統(tǒng)級ESD考慮因素(Texas Instruments)

System Level ESD:第1部分，常見誤解和推薦的基本方法（ESD 工業(yè)委員會）

最佳方法：系統(tǒng)高效 ESD 設(shè)計 (SEED)

系統(tǒng)高效ESD設(shè)計(SEED)是一種系統(tǒng)級方法，考慮了系統(tǒng)中所有組件的瞬態(tài)響應(yīng)。SEED 方法還包括對 IC 引腳上 PC 板外部端口施加的 IEC 應(yīng)力的物理影響。

SEED 是一種實現(xiàn)板載和片上 ESD 保護的協(xié)同設(shè)計方法。利用 SEED，您可以分析和實現(xiàn)系統(tǒng)級 ESD 穩(wěn)健性。該方法要求對 ESD 應(yīng)力事件期間外部 ESD 脈沖之間的相互作用、完整的系統(tǒng)級板設(shè)計以及設(shè)備引腳特性有一個全面的了解。

SEED 方法是實現(xiàn)對稱且穩(wěn)健的系統(tǒng)級 ESD 保護的最佳方法。如下圖所示，SEED 利用以下信息設(shè)計系統(tǒng)級 ESD 保護：

準(zhǔn)靜態(tài) TLP電流電壓(I-V)曲線數(shù)據(jù)

瞬態(tài)模擬

S 參數(shù) PC 板數(shù)據(jù)

IC I-V 電路測量

我們將在本博客系列的第 2 部分和第 3 部分詳細(xì)介紹 SEED。這一部分主要是對 SEED 進行概述：

PC板的ESD 保護為一級保護，可防止對 IC 或系統(tǒng)造成物理損壞。

片上保護發(fā)揮二級保護的作用。

SEED 的基本概念旨在防止具有損壞性質(zhì)的 ESD 脈沖抵達內(nèi)部 IC 引腳。通過執(zhí)行和分析 ESD 系統(tǒng)級模擬可實現(xiàn)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)級 ESD 設(shè)計。

接下來：RF 前端設(shè)計的 ESD 保護戰(zhàn)略

眾所周知，在手機設(shè)計中戰(zhàn)略性地實現(xiàn) ESD 至關(guān)重要。這樣做可縮短設(shè)計工程周期時間，減少 ESD 故障和研發(fā)開支。

在本博客系列的后續(xù)博客中，我們將深入探討 ESD 保護組件以及減少 ESD 對移動 RF 設(shè)計影響的不同戰(zhàn)略。第 3 部分將解釋如何利用模擬和建模確定系統(tǒng)級 ESD 保護。

審核編輯黃昊宇