esd保护电路
电路中的ESD保护
电路中的ESD保护ESD的意思是“静电释放”。
集成电路器件工作在一定的电压、电流和功耗限定范围内，大量聚集的静电荷在条件适宜是就会产生高压放电，静电放电通过器件引线的高压瞬时传送，可能会使氧化层断开，造成器件的功能失常。
静电的产生主要包括：摩擦起电、感应起电和接触起电。
ESD保护器件的原理，ESD保护二极管是一种新型的集成化的静电保护器件，其内部相当于是一个齐纳稳压二极管，当输入电流超过它的额定电压时，就会被击穿，把过多的电能量导回大地，以起到保护电路的作用。
ESD保护器件一般接在外部接口处，防止外部产生的静电对电路内部造成影响。
ESD器件的主要性能参数1、最大工作电压，即是允许长时间连续施加在保护器件两端的电压，在此工作状态下，ESD保护器件不导通，保持高祖状态。
2、击穿电压，即是ESD器件开始工作时的导通电压。
3、钳位电压，即是ESD器件流过峰值电流时，其两端呈现的电压，超过此电压，可能造成ESD器件的永久性损伤。
4、漏电流，在指定的直流电压下，通过ESD器件的电流，一般是nA级的，此电流越小，对被保护电路的影响越小。
5、电容，在给定电压、频率条件下测得的值，此值越小，对被保护的信号传输影响就越小。
6、响应时间，指ESD器件对输入电压钳制到预定电压的时间。
ESD保护器件TVS管即瞬态抑制二极管是一种二极管形式的高效保护器件，利用P-N结的反向击穿工作原理，将静电高压导入大地，从而保护了电器内部对静电敏感的器件。
当TVS二极管的瞬时电压超过电路正常工作电压时，TVS二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果就是瞬时电流通过二极管被引开，避开可被保护器件，并且在电路恢复正常值之前使被保护回路一直处于截止状态，当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。
TVS二极管的工作特性曲线如下图所示TVS管的选型（1）、TVS的最大反向钳位电压应小于被保护电路的损坏电压。
esd保护电路原理
esd保护电路原理
ESD（静电放电）保护电路是一种用于防止静电放电对电子设备造成损害的电路。
其原理可以通过以下步骤来解释：
1.静电感应：当静电靠近电子设备时，会在设备的外壳和内部电
路中感应出相反的电荷。
2.静电放电：当静电电荷累积到一定程度时，会通过空气或接地
线等途径发生静电放电。
3.ESD保护电路工作：ESD保护电路会在静电放电发生时，迅速将
静电电流引入大地或其他安全的放电途径，以避免静电对设备
内部电路造成损害。
4.保护机制：ESD保护电路通常采用并联的方式连接到电路中，以
防止静电放电电流流过电路中的其他元件，从而保护内部电路
免受静电的损害。
ESD保护电路通常由以下元件组成：
1.放电管：放电管是一种能够承受高电压、大电流的二极管，用
于吸收静电放电产生的电能。
2.电阻：电阻用于限制放电管的电流，避免电流过大对电路造成
损害。
3.电容：电容用于滤除电源噪声，以避免静电放电对电路造成干
扰。
4.二极管：二极管用于防止静电放电电流反向流入电路，保护内
部电路不受损害。
综合来看，ESD保护电路通过并联连接的方式，实现对电路的保护，同时通过放电管、电阻、电容等元件的组合，实现对静电的有效吸收和滤除。
esd保护电路powerclamp原理_理论说明
esd保护电路powerclamp原理理论说明1. 引言1.1 概述本文旨在介绍ESD保护电路中常用的一种原理——PowerClamp，并深入探讨其工作原理及设计要点。
ESD（Electrostatic Discharge，静电放电）对电子设备构成严重威胁，因此对于电子设备而言，采取有效的ESD保护措施至关重要。
而PowerClamp作为一种常用的ESD保护方案，在实际应用中具有出色的效果和广泛的应用范围。
本文将系统地解释PowerClamp电路的工作机制，并提供关键器件选型、电路设计建议以及优化方案等相关内容。
1.2 文章结构本文包括引言、ESD保护电路的重要性、PowerClamp原理简介、PowerClamp 电路工作原理及设计要点、PowerClamp在实际应用中的案例研究和结论与展望六个部分。
通过这些部分内容，读者可以全面了解ESD保护电路中PowerClamp原理与应用。
1.3 目的本文主要旨在：- 介绍ESD保护电路在现代电子设备中的重要性；- 详细阐述ESD带来的危害性以及ESD保护电路的作用；- 介绍PowerClamp原理，包括其特点、工作机制和应用优势；- 提供设计PowerClamp电路时需要考虑的关键器件选型和特性；- 探讨PowerClamp电路设计中的要点和优化方案；- 分析与总结实际应用中的案例研究，展示PowerClamp技术在不同领域的应用经验；- 总结对PowerClamp原理与应用进行归纳，并展望其未来发展方向和挑战。
通过本文的阐述，读者将获得关于ESD保护电路中PowerClamp原理及其应用方面的全面知识和了解。
2. ESD保护电路的重要性2.1 ESD的危害性静电放电（ESD）是指由于两物体间的静电电荷不平衡而引起突然放电的现象。
在电子器件和集成电路中，ESD可能会对设备造成严重破坏，导致功能故障、损坏甚至永久失效。
这是因为当一个设备暴露在ESD环境中时，静电放电会产生高能量脉冲，通过脉冲传输到设备上，可能使内部元器件受损。
esd保护电路原理
esd保护电路原理
ESD保护电路是一种用于保护电子设备免受静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）的损害的电路。
静电放电是指当两个物体之间存在电势差时，电荷会从高电位物体通过空气中的离子流动到低电位物体，引发的一种现象。
ESD保护电路的原理是利用一系列电子元器件，如二极管、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）等，来吸收和分散静电放电的能量，防止其直接对设备造成损害。
在ESD保护电路中，通常采用了多层保护，包括外部保护、内部保护和系统级保护。
外部保护是指在设备的输入/输出端口或接口处设置的保护电路。
其中最常使用的元器件是二极管，其正向工作时具有较高的电阻和较低的电容，从而使对地的静电放电能量通过二极管分散到地。
内部保护是指在设备内部的关键电路和元器件上设置的保护电路。
常见的内部保护电路包括：Zener二极管，它具有较低的电压阻断特性，可用于限制输入电压的峰值；MOSFET，它具有快速响应和较低的电压漏电流，可用于限制电压过高时的电流流过关键元器件。
系统级保护是指通过设备的整体设计和工艺控制来实现的保护措施。
例如，通过合理的接地设计和电路布局，减少静电积聚和放电的可能性；选择抗ESD的材料和组件，提高设备的耐ESD能力。
ESD保护电路的设计需要根据具体的设备和应用场景进行优化。
同时，不同的ESD保护电路将具有不同的静电能量吸收和分散能力。
因此，在设计ESD保护电路时，需要根据设备对ESD的敏感度和所需的保护级别，选择合适的元器件和方案，以确保设备的可靠性和稳定性。
MOS芯片的ESD保护电路设计
MOS芯片的ESD保护电路设计ESD（Electrostatic Discharge）保护电路是在MOS芯片设计中非常重要的一部分，其主要作用是保护芯片免受静电放电和其他电压干扰引起的损坏。
在设计ESD保护电路时，需要考虑静电放电的强度、放电路径、放电时间以及芯片的特性。
本文将详细介绍MOS芯片的ESD保护电路设计。
首先，设计ESD保护电路需要了解芯片的工作电压范围和工作环境。
这些参数将决定所需的ESD保护等级和保护电路的设计方案。
通常，ESD保护电路需要满足以下几个基本要求：1.渠道长度匹配：ESD保护电路通常需要使用多个MOS管来承受ESD电流。
为了提高保护效果，这些MOS管的渠道长度应该尽量相等，以保证它们可以均匀分担ESD电流。
在设计过程中，可以采用各种技术来实现渠道长度匹配，例如采用仿射布局或者通过电路设计巧妙应用。
2.延迟时间：ESD保护电路需要尽快响应ESD事件，并将电压降低到安全的范围内。
因此，保护电路的响应时间应该尽量短，以确保芯片能够在ESD事件发生时快速响应，避免损坏。
延迟时间通常可以通过选择合适的电阻和电容参数来调整。
3.低电压降：在ESD事件中，保护电路需要将电压降低到芯片所能接受的安全范围内，以避免芯片受损。
为了实现低电压降，通常会采用多级级联的保护结构，通过分级响应来降低电压。
此外，选择合适的电阻和电容参数也可以帮助减小电压降。
4.高可靠性：ESD保护电路需要能够经受多次击打，无损耗或自愈。
因此，在设计中需要使用具有较高可靠性的器件和元件。
例如，可以采用具有低漏电流和高耐压能力的二极管、MOSFET等元件。
在具体的ESD保护电路设计中，常用的保护结构包括二极管保护、级联保护和母线保护等。
例如，二极管保护方法主要通过将二极管连接在输入和输出之间来分散ESD放电能量，以提供保护。
级联保护方法则通过将多个保护器件级联并设置适当的门控电压来提高保护效果。
除了以上核心的保护电路设计，还可以采取一些其他的措施来增强芯片的ESD保护能力。
esd电路原理
esd电路原理
ESD电路原理是指防静电保护电路的设计和工作原理。
在电子设备中，静电放电（ESD）是一种常见的故障和损坏原因。
为了防止设备受到静电的损害，需要采用一些电路来保护电子设备。
ESD电路的原理涉及三个方面：静电感应、静电放电和保护措施。
首先是静电感应，当人体或其他物体带有静电时，周围的电子设备可能会受到感应而受到电磁干扰。
这种电磁干扰可能引起设备的故障或损坏。
因此，ESD电路需要具备感应静电的能力，以提前发现和处理这种干扰。
其次是静电放电，当带电物体接触到电子设备时，可能会发生静电放电。
静电放电会产生高压脉冲，可能对设备的敏感元器件造成破坏。
ESD电路需要具备快速响应的能力，能够在静电放电事件发生时迅速将电压限制到安全范围内。
最后是保护措施，ESD电路需要采用一系列的保护措施来保护电子设备。
常见的保护措施包括使用TVS二极管、MOV等元器件，这些元器件具备快速响应和较高的耐压能力，能够有效地吸收和限制静电放电的能量。
综上所述，ESD电路原理涉及静电感应、静电放电和保护措施三个方面。
通过合理设计和应用ESD电路，可以有效地保护电子设备免受静电损害。
esd电路工作原理
esd电路工作原理
ESD（electrostatic discharge）电路是用于保护电子设备免受静
电放电的损害。
它通过提供一条低阻抗的放电路径，将静电放电到地，以防止静电能量积累到足够高的水平，从而引起损坏。
ESD电路通常由以下几部分组成：
1. ESD保护器件：这是电路中最重要的组成部分，通常是一
个二极管或晶闸管。
当静电放电触及到保护器件时，它会形成一个低阻抗的导通通路，将电流引导到地。
2. 阻抗匹配电路：这是用于确保ESD保护器件与其他电路的
阻抗匹配。
它可以确保ESD电路在保护时不会对其他电路产
生过多的干扰。
3. ESD保护电路的连接和布线：在PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）上布线时，需要注意将ESD保护器件的引脚正
确连接到需要保护的电路或设备上。
此外，还需要考虑布线的细节，以确保ESD电路能够快速、有效地分流静电放电。
ESD电路的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：
1. 当外部环境中积累了静电能量，并且这静电能量可能对设备或电路造成损害时，ESD电路会被激活。
2. 静电放电触及到ESD保护器件，使其进入导通状态。
保护
器件通过提供一个低阻抗通路，将静电能量放散到地面。
3. 一旦ESD电路成功分散了静电能量，保护器件恢复到正常状态，不对受保护的设备或电路产生干扰。
总之，ESD电路的工作原理是通过提供一个低阻抗通路，将静电能量导向地面，以保护设备或电路免受静电放电的损害。
这是通过使用ESD保护器件和正确的布线来实现的。
esd保护电路原理
esd保护电路原理
ESD（静电放电）保护电路是一种用于保护电子设备免受外部静电放电损害的电路设计。
静电放电是指由于电荷的不平衡而产生的短暂的高电压放电现象，会对敏感的电子器件造成不可逆转的损坏。
ESD保护电路的设计目标是将外部静电放电的能量引导到安
全地方，避免其对电子设备造成伤害。
为了实现这一目标，ESD保护电路通常由以下几个关键部分组成：
1. 静电放电探测器：用于检测外部静电放电事件的发生。
一旦探测到静电放电，它会发送一个信号给保护电路。
2. 充电泵：用于将ESD保护电路与电源之间建立一个高电压差。
这个高电压差是为了将静电放电的能量引导到地。
3. 电压限制器：用于限制引导过来的静电放电能量的电压，并防止其超过设备耐受的最大电压。
4. 可重复使用的保护元件：用于吸收和分散静电放电的能量。
这些元件可以多次使用，因为它们在处理静电放电时可以自愈。
5. 地引线：用于将引导过来的静电放电能量导入地。
地是一个电势为零的点，可以安全地对外部静电放电进行耗散。
综上所述，ESD保护电路的原理是通过静电放电探测器检测
外部静电放电事件，然后利用充电泵建立高电压差将静电放电
能量引导到地引线，并通过电压限制器和可重复使用的保护元件保护电子设备免受损害。
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CMOS电路中ESD保护结构的设计上海交通大学微电子工程系王大睿1 引言静电放电(ESD，Electrostatic Discharge)给电子器件环境会带来破坏性的后果。
它是造成集成电路失效的主要原因之一。
随着集成电路工艺不断发展，互补金属氧化物半导体(CMOS，ComplementaryMetal-Oxide Semiconductor)的特征尺寸不断缩小，金属氧化物半导体(MOS，Metal-Oxide Semiconductor)的栅氧厚度越来越薄，MOS管能承受的电流和电压也越来越小，因此要进一步优化电路的抗ESD性能，需要从全芯片ESD保护结构的设计来进行考虑。
2 ESD的测试方法ESD模型常见的有三种，人体模型(HBM，Hu-man Body Model)、充电器件模型(CDM，Charge DeviceModel)和机器模型(MM，Machine Mode)，其中以人体模型最为通行。
一般的商用芯片，要求能够通过2kV静电电压的HBM检测。
对于HBM放电，其电流可在几百纳秒内达到几安培，足以损坏芯片内部的电路。
，所以对I／O引脚会进行以下六种测试：1) PS模式：VSS接地，引脚施加正的ESD电压，对VSS放电，其余引脚悬空；2) NS模式：VSS接地，引脚施加负的ESD电压，对VSS放电，其余引脚悬空；3) PD模式：VDD接地，引脚施加正的ESD电压，对VDD放电，其余引脚悬空；4) ND模式：VDD接地，引脚施加负的ESD电压，对VDD放电，其余引脚悬空；5) 引脚对引脚正向模式：引脚施加正的ESD电压，其余所有I／O引脚一起接地，VDD和VSS引脚悬空；6) 引脚对引脚反向模式：引脚施加负的：ESD电压，其余所有I／O引脚一起接地，VDD和VSS引脚悬空。
VDD引脚只需进行(1)(2)项测试3 ESD保护原理ESD保护电路的设计目的就是要避免上作电路成为ESD的放电通路而遭到损害，保证在任意两芯片引脚之间发生的ESD，都有适合的低阻旁路将ESD电流引入电源线。
这个低阻旁路不但要能吸收ESD电流，还要能钳位工作电路的电压，防止工作电路由于电压过载而受损。
这条电路通路还需要有很好的工作稳定性，能在ESD发生时陕速响应，而且还不能对芯片正常工作电路有影响。
4 CMOS电路ESD保护结构的设计根据ESD的测试方法以及ESD保护电路的原理可知，在芯片中我们需要建立六种低阻ESD电流通路，它们分别是：1) 引脚焊块(PAD)到VSS的低阻放电通路2) VSS到PAD的低阻放电通路3) PAD到VDD的低阻放电通路4) VDD到PAD的低阻放电通路5) PAD受到正向ESD放电时，PAD到PAD的通路6) PAD受到负向ESD放电时，PAD到PAD的通路7) VDD与VSS之间的电流通路。
大部分的ESD电流来自电路外部，(CMD模型除外，它是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的)，ESD保护电路一般设计在PAD 旁，输入输出(I／O，Input／Out-put)电路内部。
典型的I／O电路示意图如图2，它的工作电路由两部分组成：输出驱动(Output Driver)和输入接收器(Input Receiver)。
ESD通过PAD导入芯片内部，因此I／O里所有与PAD直接相连的器件都需要建立与之平行的ESD低阻旁路，将ESD电流引入电压线，再由电压线分布到芯片各个管脚，降低ESD的影响。
具体到I／O，就是与PAD相连的输出驱动和输入接收器。
根据对ESD低阻放电通路的要求，上面六条通路必须保证在ESD发生时，形成与保护电路并行的低阻通路，旁路ESD电流，且能立即有效地钳位保护电路电压。
而在这两部分正常上作时，不影响电路的正常工作。
图3是加入ESD电流通路的I／O电路，在图3所列的所有器件中，HBM模式下输出驱动上的NMOS管是最容易受损坏的。
因此下面会对输出驱动中NMOS管的ESD 低阻旁路给出比较详细的介绍。
●PS模式下PAD、VSS之间的ESD低阻旁路每一个I／O引脚电路中都应建立一个PAD到VSS的ESD保护电路(图4)。
常用的ESD保护器件有电阻、二极管、双极性晶体管、MOS管、可控硅(SCR)等。
由于MOS管与CMOS工艺兼容性好，我们常采用MOS管构造保护电路。
CMOS工艺条件下的NMOS管有一个横向寄生n-p-n(源极-p型衬底-漏极)晶体管，如图5(a)所示。
这个寄生的晶体管开启时能吸收大量的电流。
利用这一现象可在较小面积内设计出较高ESD耐压值的保护电路，其中最典型的器件结构就是栅极接地NMOS(GGNMOS，Gate Grounded NMOS)。
在正常工作情况下，NMOS横向晶体管不会导通。
当ESD发生时，漏极和衬底的耗尽区将发生雪崩，并伴随着电子空穴对的产生。
一部分产生的空穴被源极吸收，其余的流过衬底。
由于衬底电阻Rsub的存在，使衬底电压提高。
当衬底和源之间的PN结正偏时，电子就从源发射进入衬底。
这些电子在源漏之间的电场的作用下，被加速，产生电子、空穴的碰撞电离，从而形成更多的电子空穴对，使流过n-p-n晶体管的电流不断增加，最终使NMOS晶体管发生二次击穿，此时的击穿不再可逆，则NMOS 管损坏。
图5(b)展示了这一过程的I-V特性，其中(Vt1，It1)为衬底和源之间的PN结正偏，横向晶体管开启时的电压电流，(Vh，Ih)为NMOS横向晶体管的钳位电压和电流，(Vt2，It2)是NMOS横向晶体管发生二次击穿时的电压和电流。
NMOS管正常工作的区域在Vop之内。
为了防止如噪音等外界影响，使NMOS在正常工作区域触发，Vop与Vh之间需要一个安全区。
Vox是NMOS管的栅氧击穿电压。
如果ESD保护器件的电压设计在安全区与栅氧击穿区之间，电流设计在It2以内，ESD保护器件就能在不损伤管子也不影响工作电路的情况下完成对电路的保护。
我们可以通过ESD钳制电路的HBM耐压值来推断ESD钳制电路器件的大概宽度。
如果CCNMOS可通的最大电流密度是10mA／μm，则要达到2kVHBM耐压值，这个ESD钳制电路要经受1.33A的电流(图1)，NMOS的宽度至少是133μm。
为了在较小的面积内画出大尺寸的NMOS管子，在版图中我们采用常把它而成手指型(finge-type)，把NMOS管中的单一“手指”作为一个单元，然后多次引用这个单元。
画版图时应严格遵循I／O ESD的设计规则。
为了进一步降低输出驱动上NMOS在ESD时两端的电压，可在ESD保护器什与GGNMOS之间加一个电阻(图6)。
这个电阻不能影响工作信号，因此不能太大。
画版图时可采用多晶硅(poly)电阻。
在ESD发生时，不一定每一个NMOS“手指”会一齐导通，这样ESD保护电路的有效耐压值就由开始导通的几个NMOS“手指”决定。
为了避免这种情况，提高FSD器件防护能力，可在NMOS栅极和地之间加一个电阻Rgate(图7)。
由于栅漏间寄生电容的存在，ESD瞬态正电压加在PAD上时，图7中NMOS上的栅极也会耦合一个瞬态正电压，因此NMOS上的每一个“手指”会一齐导通，不用到达Vt1就能进人寄生横向晶体管骤回崩溃区(snapback region)。
栅极电压由Rgate放电到地。
这个瞬态电压持续的时间由栅漏寄生电容和栅地电阻组成的RC时间常数决定。
栅地电阻必须足够大，保证在电路正常工作时这个栅极耦合NMOS管是关闭的。
只采用初级ESD保护，在大ESD电流时，电路内部的管子还足有可能被击穿。
如图8所示，GGNMOS导通，理想状况下(图8a)，衬底和金属连线上都没有电阻，吸收大部分ESD电流。
实际情况是(图8 b)，GGNMOS导通，由于ESD电流很大，衬底和金属连线上电阻都不能忽略，此时GGN-MOS并不能钳位住输入接收端栅电压，因为让输入接收端栅氧化硅层的电压达到击穿电压的足GGNMOS与输入接收端衬底间的IR压降。
为避免这种情况，可在输入接收端附近加一个小尺寸GGNMOS进行二级ESD保护(图8c)，用它来钳位输入接收端栅电压。
在画版图时，必须注意将二级ESD保护电路紧靠输入接收端，以减小输入接收端与二级ESD保护电路之间衬底及其连线的电阻。
●NS模式下VSS，PAD之间ESD低阻旁路存ESD过程中，如果PAD对VSS负向放电，放电通路由p型衬底和每一个与PAD相连NMOS的漏极产生的寄生二极管组成，如图9所示。
此时二极管正向导通，因为二极管正向导通电压小，导通电阻小，有很高ESD防护能力，PAD对VSS的负向放电可以很容易的分布到芯片各个管脚。
●PD模式下PAD，VDD之间ESD低阻旁路在ESD过程中，如果PAD对VDD正向放电，放电通路由N阱和每一个与PAD相连PMOS的漏极产生的寄生二极管组成。
此时二极管正向导通，有很高ESD防护能力，PAD对VDD的正向放电可以很容易的分布到芯片各个管脚。
●ND模式下VDD，PAD之间ESD低阻旁路在ESD过程中，如果PAD对VDD负向放电，放电通路如图10。
PAD对VDD负向放电通路由PMOS横向寄生晶体管组成。
电路原理和结构与PS模式下PAD到VSS 的电路类似。
●VDD，VSS之间ESD低阻旁路VDD，VSS的PAD上也可能发生ESD事件，因此也需要有ESD保护。
在ESD过程中，如果VDD对VSS正向放电，基本的VDD到VSS的保护电路结构是在VDD和VSS之间加一个大尺寸的GGNMOS(如图11)。
为了提高VDD到VSS 之间保护电路的效率，减小电源线问寄生电阻电容对其ESD保护性能的影响，可将这个保护电路复制多份，分布到芯片中去。
在ESD过程中，如果VDD对VSS反向放电，ESD电流通过P衬底和N阱形成的二极管被旁路掉，此时这个寄生二极管正向导通，所以它的ESD保护能力强。
●PAD，PAD之间ESD低阻旁路在PAD到PAD的电流通路中，ESD电流经输入端的ESD保护器件流入电源线，再通过电源线流经各个输出端的ESD保护器件到地。
5 综述ESD保护电路不是单一芯片引脚的问题，它要从整个芯片全盘考虑。
芯片里每一个I／O电路中都需要建立相应ESD保护电路，ESD保护电路在版图中要画在PAD旁。
VDD到VSS之间也需要ESD保护电路，VDD到VSS之间的。
ESD保护电路在芯片中要能多次引用。
每一个有输入接收端的I／O电路上应加二级ESD保护，二级ESD 保护电路在版图中要尽量靠近输入接收端。
电源线用于吸收ESD电流，在版图中尽量画宽，减小电源线上的电阻。
双极性集成电路的ESD保护类别：电子综合阅读：1183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。