ESD电源钳位网络

📚 Voldman ESD 补充:本页基于 ESD: Circuits and Devices Ch.11-12,合并介绍 CMOS 和双极 ESD 电源钳位网络——CMOS 电源钳位(RC 触发/栅耦合/正向偏置触发/IEC 响应)、Master/Slave 系统、串联堆叠 RC 触发钳位、三阱串联二极管钳位、双极电源钳位(齐纳触发/BV_CEO 触发/正向偏置/混合电压/电容触发)、Johnson Limit 关系、SiGe HBT 钳位。


前后关系

前置知识:


1. CMOS 电源钳位

1.1 RC 触发钳位

原理:利用 RC 延迟检测 VDD 的快速上升(ESD 事件):

VDD ──── R ──── Gate
              │
              C
              │
VSS ──────────┘
  • 正常上电(慢):电容充电 → 栅极为低 → MOSFET 截止
  • ESD 事件(快):电容来不及充电 → 栅极为高 → MOSFET 导通钳位
  • 时间常数设计: 且

1.2 栅耦合钳位

  • 电容直接耦合 VDD 变化到 NMOS 栅极
  • 响应速度更快
  • 对电源噪声更敏感

1.3 正向偏置触发

  • 利用二极管正向偏置检测 ESD 事件
  • 钳位电压:
  • 适用于低电压设计

1.4 IEC 响应

  • 针对 IEC 61000-4-2 系统级 ESD 优化
  • 更高的能量承受能力
  • 更大的钳位器件

1.5 预充电/后充电不敏感

  • 设计对电源预充电和后充电效应不敏感
  • 避免误触发
  • 提高可靠性

2. Master/Slave 系统

2.1 概念

  • Master 钳位检测 ESD 事件并触发
  • Slave 钳位跟随 Master 动作
  • 实现多个钳位的协调工作

2.2 设计优势

  • 避免多个钳位同时导通导致的电源短路
  • 确保 ESD 电流通过设计路径分流
  • 适用于多电源域设计

3. 串联堆叠 RC 触发钳位

3.1 原理

多个 RC 触发钳位串联堆叠:

  • 提高钳位电压承受能力
  • 适用于高压电源域
  • 各级 RC 时间常数不同 → 顺序触发

3.2 三阱串联二极管钳位

  • 利用三阱结构实现二极管串联
  • 提高钳位电压
  • 改善温度特性

4. 频率设计窗口

4.1 RC 触发钳位的频率响应

钳位触发需要满足频率窗口:

  • :正常上电频率(~kHz)
  • :钳位触发频率
  • :ESD 事件频率(~MHz-GHz)

5. 双极电源钳位

5.1 齐纳触发钳位

  • 利用齐纳二极管检测 ESD 电压
  • 齐纳电压精确可控
  • 触发后 BJT 导通分流

5.2 BV_CEO 触发钳位

  • 利用 BJT 的 击穿触发
  • 无需额外触发元件
  • 钳位电压 =

5.3 正向偏置钳位

  • 利用 B-E 结正向偏置触发
  • 低钳位电压(~0.7V × n)
  • 适用于低压设计

5.4 混合电压钳位

  • 结合多种触发机制
  • 提高触发可靠性
  • 适应不同 ESD 模型

5.5 电容触发钳位

  • 利用电容耦合检测 dV/dt
  • 类似 CMOS RC 触发
  • 适用于双极工艺

6. Johnson Limit

6.1 定义

Johnson Limit 描述双极器件的 ESD 电流密度极限:

  • 对于 Si 双极器件:
  • 提供 ESD 器件尺寸设计的经验公式

7. SiGe HBT 钳位

7.1 优势

  • SiGe HBT 的 高 → 快速响应
  • Ge 含量可调 → 优化击穿电压
  • 与 BiCMOS 工艺兼容

7.2 设计考虑

  • 击穿电压随 增加而降低
  • 需要权衡响应速度和钳位电压
  • 温度特性与 Si BJT 不同

参考文献

  1. S. H. Voldman, ESD: Circuits and Devices, 2nd ed., Wiley, 2015, Ch.11-12.

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