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一種新的MLCC陶瓷電容用于電路靜電ESD保護的電容容值計算方法

2024/07/14
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Part 01、前言

電路設(shè)計中,靜電防護是不可忽略的關(guān)注因素,MLCC陶瓷電容作為一種低成本的靜電防護手段,應用非常廣泛,很多人知道電容能用作靜電防護,但是卻不太清楚ESD電容的容值怎么選?在之前的文章中,我們介紹過基于電荷守恒定律計算ESD電容容值的方法詳解MLCC陶瓷電容用于靜電ESD保護的電路選型與計算,今天我們就介紹另外一種計算ESD電容容值的新方法,這個新方法比較適用于某些IC電源端口已經(jīng)集成了小功率TVS的設(shè)計,下面以實例進行講解。

摩爾定律指出,在集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每隔18-24個月就會翻一番,臺積電已經(jīng)開始試產(chǎn)2nm制程工藝了,這導致IC氧化物厚度和導線寬度變得更薄,對于ESD就更敏感了,所以IC廠商會將靜電放電(ESD)保護集成到芯片中,但是由于IC尺寸縮小和特征尺寸減小,內(nèi)置ESD保護裝置(如二極管、閂鎖晶體管和多晶硅電阻)可能無法處理較高的ESD能量,可能導致保護失效。這意味著內(nèi)部ESD保護的能力有限,可能不足以應對某些高能量的ESD事件,仍需要額外的外部保護措施。

當IC遭受外部ESD事件時,外部的ESD電容會吸收一部分能量,剩余的能量會由IC內(nèi)部的ESD防護模塊吸收,那么遇到這種情況我們該如何計算電容容值呢?下面我們就以集成了小信號TVS的IC為例,講解一下外部ESD電容容值的計算方法。

Part 02、實例計算

計算的思路是外部的ESD電容吸收之后剩余的ESD能量不會超過IC內(nèi)部的ESD防護模塊允許吸收的最大能量。

1.IC允許的最大ESD脈沖能量W0如何計算?

W0=(Vesd0-Vcl)*Vcl*Cesd0

其中Vesd0表示規(guī)格書中IC允許承受的最大ESD電壓(比如下圖的5000V),可以在規(guī)格書中找到這個參數(shù),Vcl表示IC內(nèi)部ESD防護模塊的鉗位電壓(比如下圖的64V),Cesd0表示IC ESD測試的放電電容(比如下圖的100pF)。

2.添加外部ESD電容后,IC實際吸收的ESD能量W1如何計算?

W1=(Vesd1-Vcl*(1+Cext/Cesd1))*Vcl*Cesd1

其中Vesd1表示產(chǎn)品實際測試的最大ESD電壓,比如8KV,Vcl表示IC內(nèi)部ESD防護模塊的鉗位電壓,Cext表示外部添加的ESD電容,Cesd1表示產(chǎn)品實際測試的ESD 放電電容(比如330pF)。

3.添加的外部ESD電容容值如何計算?

基于IC實際吸收的ESD能量W1要小于IC允許的最大ESD脈沖能量W0可以計算出外部電容的最小容值:

Cext_min=((Vesd1-Vcl)*Cesd1/Vcl)-W0/Vcl*Vcl

以接觸放電8KV,源電容330pF,放電電阻2kΩ,可以計算出Cext_min>33nF。

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