系统级ESD保护为什么重要？怎样提高ESD保护的测试模型和战略？

静电放电(ESD)现象从一开始就存在。我们第一次接触ESD往往是在孩童时代，在干燥的冬日触碰金属门把手时，会有种触电的感觉——这就是静电放电。这种短暂的不适感通常对人类来说不是问题，但是即使是少量的ESD也有可能会损毁敏感电路。

手机设计人员一直都面临着何时以及如何解决这一自然现象的挑战。系统级ESD保护为何如此重要？怎样提高移动设备中系统级ESD保护的测试模型和战略？

1ESD模型和波形的测试

人体和衣服一天可存储500 V至2,500 V静电电荷，但是人类只能感受到3,000至4,000 V的ESD脉冲。这远高于电子电路受损的水平，即使人类无法检测到。

设计人员必须从多方面解决ESD问题，对组件制造商来说，是在其设计阶段和设计工作结束之时。简而言之，ESD保护需要一种多层面方案。

通常，集成电路(IC)制造商按照ESD行业标准设计、测试和验证其IC。这可防止在IC生产或在PC板上组装时出现物理损坏。针对ESD，通常进行的两种测试包括：

人体模型(HBM)。这种测试模拟人体通过接触IC释放所积累的静电的ESD事件。采用一个带电的100 pF电容和一个1.5 kΩ放电电阻进行模拟。

带电设备模型(CDM)。这种测试模拟在生产设备和工艺中发生的充电和放电事件。设备在一些摩擦工艺中或静电感应过程中获得电荷，然后突然接触到一个接地物体或表面。

虽然设备级测试有助于衡量IC的ESD稳健性，但系统级测试可衡量现场的电子设备保护（即原始设备制造商[OEM]设备或终端产品）。

为了更好地了解最终产品所需的ESD保护，OEM应采用系统级ESD方法进行设计，然后按照国际电工委员会(IEC)ESD标准61000-4-2测试最终产品。IEC 61000-4-2被视为终端产品ESD测试和评级的行业标准。该测试可确定系统对现场外部ESD事件的易损性。

下图比较了三种脉冲的能量和峰值电流：

系统级IEC 61000-4-2

设备级HBM

设备级CDM

IEC ESD事件脉冲显然更强，因此系统中的设备更加难以通过。尽管设备级测试（HBM和CDM）比较有用，且可提供ESD稳健性的基准，但在系统级IEC测试期间并不总是能够确定生存性。

为进一步展示这一概念，下表显示了组件测试和系统级IEC测试之间的差异。大家可以看到，差异很大，系统应力水平更高。总而言之：较之于设备级设计，系统设计必须满足更严苛的要求。

2测试不充分的问题

在开发阶段进行系统级ESD测试可能会是个问题。例如，测试评估/不完整板组件上的ESD并不能代表所有情况。这些组件的结果并不保证完整系统的最终结果。

设备级ESD测试（即HBM和CDM）旨在通过适当的ESD控制在工厂生成适合分立式组件的可重复且可再现的结果。这就是所谓的ESD保护区(EPA)。然而，这些测试并不是为了解决现实世界中EPA范围之外的全部产品级ESD事件。

3实现产品稳健性的关键：系统级ESD

相反，ESD稳健型系统设计的关键是要考虑ESD在系统中的影响。为了获得系统级视角，设计人员必须了解并解决以下问题：

系统级应力事件及其对整个产品的影响。设备级ESD测试结果只能为系统ESD设计提供非常少的信息，因为它们无法反映电子设备在IEC ESD事件期间经历了什么。

系统中板级相互作用，以及在ESD应力作用下与电子部件外部接触的引脚瞬态行为。

高效的表征化方法（如组件级传输线路脉冲(TLP)数据），用于分析IC、板和系统的相互作用。

系统级ESD保护战略取决于物理设计、产品要求和产品成本。

4最佳方法：系统高效ESD设计(SEED)

系统高效ESD设计(SEED)是一种系统级方法，考虑了系统中所有组件的瞬态响应。SEED方法还包括对IC引脚上PC板外部端口施加的IEC应力的物理影响。

SEED是一种实现板载和片上ESD保护的协同设计方法。利用SEED，您可以分析和实现系统级ESD稳健性。该方法要求对ESD应力事件期间外部ESD脉冲之间的相互作用、完整的系统级板设计以及设备引脚特性有一个全面的了解。

SEED方法是实现对称且稳健的系统级ESD保护的最佳方法。如下图所示，SEED利用以下信息设计系统级ESD保护：

准静态TLP电流电压(I-V)曲线数据

瞬态模拟

S参数PC板数据

IC I-V电路测量

PC板的ESD保护为一级保护，可防止对IC或系统造成物理损坏，片上保护发挥二级保护的作用。SEED的基本概念旨在防止具有损坏性质的ESD脉冲抵达内部IC引脚，通过执行和分析ESD系统级模拟可实现适当的系统级ESD设计。

众所周知，在手机设计中战略性地实现ESD至关重要，这样做可缩短设计工程周期时间，减少ESD故障和研发开支。在后续的微信中，我们将深入探讨ESD保护组件以及减少ESD对移动RF设计影响的不同战略并解释如何利用模拟和建模确定系统级ESD保护。