高速資料線路的電路保護技術
高速資料線路的電路保護技術
2012/09/11-陳毅斌 IC設計正發生重大變化，特別是用於全新高速資料線的系統級晶片(SoC)，例如SuperSpeed USB、MHL、HDMI、DisplayPort和eSATA，需要使用最先進的CMOS製程。
由於ESD保護電路無法根據摩爾定律按比例縮小，這些SoC內的ESD保護電路能力，通常需建構於整個系統具有良好保護措施。然而，更為嚴重的是，完整的系統——如手機、平板電腦或普通電腦等——在常溫環境條件下使用時極易遭受ESD衝擊。另外，介面SoC特別容易受到靜電放電的影響。以下便將討論高速資料線的某些應用需求，以及根據這些需求，保護設備應採用的型號和技術。
要獲得系統級的穩固度以抵抗場級ESD衝擊，根據IEC 61000-4-2標準，需採用專門的ESD保護器件，且最好放置在連接器後面(詳圖1)。
對於想要理解SoC受何種保護程度的人來說，ESD保護設備資料手冊中的IEC61000-4-2標準，無法給出解答。它只給出了最大ESD脈衝，在該脈衝下，ESD保護器件自身無損。然而，根據IEC61000-4-2，當涉及帶ESD保護器件的系統和現代SoC的ESD脈衝保護時，目前較為普遍的是，ESD衝擊發生時外部保護設備無損但SoC因過壓而損壞。問題是，如何才能有效保護這種情況下的SoC？
瞭解ESD保護和SoC之間相互作用的特點
首先，讓我們看看SoC的要求。高度集成具有較低的工作電壓，因此電路板上針對SoC的ESD保護，在電壓極低時便開始做出反應，以保護柵極氧化層不被過壓擊穿。SoC的工作頻率高意味著它們將對ESD衝擊做出快速反應。結果便是，良好的外部ESD保護設備也需要對ESD脈衝做出極快的反應，這就需要具有較低的觸發和箝位電壓，並必須設計為可負載大部分ESD電流，以降低SoC的ESD電流負載。
在盡可能簡單的模型裡，SoC和ESD保護器件通過並聯方式連接。當靜態電流流過時，該電流為SoC和ESD器件所共有，並與它們的輸入電阻成反比。然而，由於兩者都會做出反應，SoC和ESD保護器件針對ESD脈衝的保護是非線性的，因此光有這個靜態模型是不夠的；波形記錄儀無法表示出單個設備——或整個系統——針對ESD脈衝的反應。除此之外，靜態測量也會導致被測設備(DUT)過早地被判定為不合格。
要確定被測設備在ESD事件下的動態特性，可使用傳輸線路脈衝(或簡稱為TLP)測量作為標準表徵工具。阻抗通常為50 Ω的已定義傳輸線路，由TLP測量充電並且通過被測設備完成放電。要避免信號失真，首選恆定阻抗系統，它可以產生定義明確的矩形脈衝，輸出定義明確的電流和電壓值。重複該測量時如果採用更高電能，便可得到下一組電流-電壓值，直到完成I-V圖形，或者直到被測設備損壞。要在測量早期捕獲到被測設備的損壞情況——開始時可能略為有所退化——可在每個TLP脈衝之後檢測漏電流。
ESD保護與SoC的相互作用
標準Rail to Rail結構，這種結構結合了良好的ESD保護和低電容特性，因此經常用於單向高速資料線的ESD保護。對於標準的Rail to Rail結構，對應的TLP曲線如圖3所示。
對於負ESD脈衝(圖中藍色曲線)而言，特性主要由低供電軌二極體的動態電阻決定。對於正ESD脈衝(圖中紅色曲線)而言，特性取決於高供電軌二極體以及齊納二極體的開關特性。這可以解釋為何系統級的ESD保護會如此不對稱。對於高級SoC而言，低供電軌二極體能保護系統非常常見，但高供電軌二極體和齊納二極體的串聯組合，就會由於開關太遲且電壓太高而無法保護系統。由於ESD脈衝可能為負也可能為正(取決於所用物料組合)，這種解決方案是有缺陷的。
圖4以實例表示一個SoC和兩個ESD保護設備的正I-V曲線。1號ESD保護設備的工作特性類似於標準二極體，由於SoC開啟集成式ESD保護時的電壓會比1號ESD保護設備開啟ESD保護時的低，該1號ESD保護設備對於保護SoC而言並無多大作用，因此將會消耗掉大部分的ESD。
2號ESD保護設備表示一個交點，在該交點處，2號ESD保護設備的TLP曲線位移至SoC的TLP曲線下方。ESD保護設備將ESD脈衝的絕大部分提高到該交點以上。
圖5表示實際設備的TLP測量值：兩個SoC與三個ESD保護設備的TLP曲線的對比。供應商A和供應商B的設備是高級設備，某些情況下設備表現的性能可能更差。
在一定程度上，這是由於追求更小的電容所造成的：降低器件電容的最簡單方法，是開關更多的串聯二極體；然而這樣會造成動態電阻和箝位電壓的同時上升；因此，更好的方法是使用ESD保護設備，它兼具低電容和有效ESD保護這兩項特性。
然而通過觀察TLP測量值，很明顯的可以看出，僅當電能非常高時，供應商A和供應商B的ESD保護設備才會啟動保護。
DIGITIMES中文網 原文網址: 高速資料線路的電路保護技術 http://www.digitimes.com.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?cnlid=13&cat=10&id=0000301865_IJA71ECM7WK1AY4EQX6NH#ixzz267Ncnqmz
