关于EOS的介绍和应用

做电源管理相关的应用，想不遇到器件损坏的状况是不可能的事情，虽然谁都不想这样。我做电源管理器件的FAE已经有15年时间，遇到这样的状况已经不计其数，我的同事们也都如此，常常处于忙碌的状态。很多客户在遇到这样的问题时都会希望得到一份详细的分析报告，把损坏的样品送回原厂分析成为很多客户的第一选择，但我常常对此表示反对，总是主张要在第一现场就把问题处理掉，但是送厂分析的状况还是会经常发生，而且有很多的结论都是EOS。这样的状况发生多了，自己都会有情绪，难道就不能给点别的理由吗？为什么总是EOS？这种情绪不仅会在我的身上出现，其他人也会有。

这里说的情绪不是好的情绪，否则也就没有必要拿来说了。我们厌倦EOS这一结论，只是因为它太标准化了，而且老是出现，但要想知道是为什么，却又找不到方向，不知道要如何应对，这才出现了厌烦的心理。如果我们一开始就知道它是怎么回事，那么这一结论就能给我们指明方向，知道要如何下手。心里跟明镜似的，哪里还会有情绪呢？

EOS的定义

EOS是英文Electrical Over Stress的首字母缩写，其意为电气过应力 ，意思就是有过高的电压和/或电流信号加到了受试对象上，它受不了了，被损坏了，所以说“过”了。

EOS的发生和危害

要生成EOS可以有三种方法：高电压，大电流，高电压+大电流。

高电压很容易生成，而且很容易被看到，我们的万用表、示波器经常都在为我们提供这样的信息，要测量起来也最方便，因而很容易被感知到。高压带来的危害常常是击穿，因为它在受试物的内部形成了高压电场，物质分子可以因此而被极化撕裂，然后再形成大电流通路，发热，甚至燃烧，直至被彻底损毁。

大电流流过物体的时候，常常也伴随着发热，因为电阻在一般物质中总是存在的，而I2R的结果就是热量，它与电流的平方成正比，这世上没有什么东西是能够承受无止境的发热的，所以大电流的危害常常也是很大的。

如果把这两者在结合在一起，高热量是自然的结果，危害就不再细说了，说起来都是泪啊！

根据欧姆定律，I=V/R，R通常是负载的特性，电压是外加的应力，它们的结合才有了电流，它是一个结果，所以，我们关注的重点常常是在电压上，管好了它，很多问题也就避免了。

电源IC保护自己的方法

当过高的电压加到IC端子上的时候，它很容易就损坏了，而这种机会又很容易发生，例如静电放电就会随时遇到，所以IC都会在大多数对外连接的端子上预设静电放电单元，如下图所示：

这是一颗Buck转换器IC，它的VIN、EN、FB和GND之间以及BOOT和SW端子之间都设计了ESD保护单元，可在这些端子上出现较高的电压时导通将过高的电压限制住，避免它们被过高的电压应力损伤或损坏。

再来看看下面这颗IC，它的型号是RT9746，是一颗过流过压保护IC，它容许6.2V~14.5V（可选）的电压经过它通向负载，并在超出时关断以保护系统不受伤害，并能承受最高达100V的电压冲击，这是因为它的输入端内加入了可以将输入电压钳位在30V的功率TVS。

假如端口上出现了如下图所示的80V电压冲击：

由于有RT9746的存在，这个高压信号就变成了下面的样子，对芯片的危害可能性已经大大地降低了。

来看看它的内部框图，我们可以看到内部TVS的存在，它位于VIN和GND_PTVS端子之间。

如果我们再回到Buck转换器上，并对型号为RT7285C的器件的VIN和GND之间的ESD保护单元进行测试，我们将可以看到它的钳位电压位于25.5V上：

而按照规格书，该器件的推荐工作电压最高为18V，容许出现在该处的最高电压为20V，这些参数在规格书中表示如下：

实际上，每个IC端子的ESD保护单元的钳位电压都是高于其容许的绝对最高额定电压的，其间的关系如下图所示：

在实际工作的时候，一般情况下只能将低于推荐最高工作电压的电压施加到端子上，只有在很特殊的状态下才可以让电压高到绝对最高额定电压处。一旦电压太高进入ESD元件钳位保护区，ESD元件就会被触发，电流就会进入其中并被导入到地，这些能量就不能被正常使用而是被消耗掉了。在电压更高的地方则是器件的制程和设计容许的极限，是绝对不能被触及之处，高到那里的电压将直接将器件击穿损坏，再也没有回环的余地了，但是只要还有ESD元件存在，器件的击穿区就不会被触及，因为电压被ESD元件钳位了，这也正是ESD元件存在的意义。

ESD电路模型和ESD过程

ESD是Electro-Static Discharge的首字母缩写，意为静电放电。静电的出现非常容易，它们常常积聚在物体的表面，这样的表面与相对电极之间的电容极小，因而形成很高的电压。一旦有机会形成回路，这些静电荷就会移动以实现电中和，其放电过程会非常快速，因而可以在瞬间释放出大量的能量。用于模拟这样的静电放电过程的最常用模型是人体模型，它是先将一个100pF的电容充电至某个电压如2kV，然后再通过串联一只1.5kΩ的电阻对受试元件进行放电，以此检查该器件是否能在这样的环境下生存下来，其电路模型和实验中的放电过程如下图所示：

图中的DUT即为受试元件，其中的ESD Cell即是我们上文所说的ESD单元，它起着泄放来自电容C1中的电能的任务。

对于2kV的静电测试来说，电容中储存的电荷总量约为0.2µC。假如受试元件中的ESD单元的钳位电压为27V，电荷释放过程在此单元中留下的能量约为27V x 0.2µC =5.4µJ，它们将在ESD单元中转化为热量并使其温度上升。很显然，器件的封装将起到热均衡的作用，此放电过程生成的热量将通过封装传播到周围环境中，并最终稳定在某个程度上。

EOS的发生

假如上述的ESD现象呈现为更高的电压、更大的电容、更高的钳位电压，我们将发现最终落在ESD单元上的能量将更大，使得器件的封装根本来不及将太多的热量散发出去，ESD单元将因过高的温度而损毁，这就构成了EOS事件，与上述的试验并无本质的差异，仅仅是量变带来了质变而已。

EOS现象的演示实验

在上文的测试RT7285C VIN端ESD单元的钳位电压的实验中，我们可以看到钳位电压位于25.5V处，流过的电流则被限制在100µA x 10 = 1mA以内，由于电流很小，最大的功耗只有25.5mW，器件是安全的。下面的演示将电流限制增加，器件就将变得不再安全了。

当电流限制为40mA时，ESD单元进入了钳位状态，但还没有失效；当电流限制被进一步放大以后，器件就失效了，这种失效是无法挽回的。

这些测试都是在Curve Tracer也就是测量电压、电流关系的图示仪上进行的，有的人可能不习惯，下面我们用示波器来看看。

热量的累积和释放是需要时间的，所以我们可以用可变的电流脉冲宽度来看ESD单元的承受能力，这样就有了下面的测试方法：

当可变宽度的脉冲信号被施加到Q2的基极时，Q1将输出与之对应的电流脉冲，连接在受试元件上的示波器将记录下ESD单元上流过的电流和形成的电压。当ESD单元因过多的热量累积而损坏时，测得的电流将增加而电压将下降，这就表示ESD单元已经损坏了。

这个图表示的是持续时间为7µs的197mA电流脉冲流过ESD单元，它安然无恙。

这两幅图显示的是持续时间为6.2µs的268mA电流脉冲和持续时间为11.1µs的175mA电流脉冲使ESD单元被击穿损坏了。

这样的三组数据告诉我们的是这样一个事实，造成损坏的原因不是电流的大小，是电流的时间累积，而电压一直都没有变化。

如果我们将波形在时间上展开来看，将看到被击穿以后的ESD单元只有很低的电压可以呈现：

如上图，击穿以后的电压大约为3V。如果这样的器件在电路中被损坏，那就意味着将有大电流流过它，最后会发生什么危险就很难判定了。

EOS发生以后的器件是什么样子呢？看看下图大概能发现一些端倪：

从放大以后的图形上可以看到，ESD单元所在的地方出现了高温灼烧后的痕迹，与之邻近的上桥MOSFET开关区域也出现了损伤。总体来说，这算是很小的伤害，因为这是在受控的条件下发生的，实际运行中出现的伤害可能就是多种多样的了，有的会惨不忍睹，不信的就来欣赏一下下面这幅图吧：

当原厂的工程师拿到这样的东西的时候，解剖的结果通常也就是如此，他能看出来是受到EOS攻击了，但却很难看出这个EOS是如何发生的，于是乎事情又要回到原点，我们需要在现场去探索到底发生了什么，这就是很多FAE在做的事情，也是作为一个应用工程师需要去研究的。