从模拟电路的角度谈谈静电保护

这期文章，作者君想从模拟电路的角度，给大家讲讲一个对于模拟工程师来说，既熟悉又有点陌生的内容：ESD Electrostatic discharge， 也就是所谓的“静电保护”。

Wikipedia里面是这样定义的：Electrostatic discharge (ESD) is the sudden flow of electricity between two electrically charged objects caused by contact。翻译过来呢，就是指两个储存有电荷的物体相互接触时候产生的瞬时电流。

最近作者君做的项目呢，对于ESD的要求比较严格，就经常和一个ESD部门的哥们讨论学习一下。他告诉我说，ESD可以在任何地方发生，无论是制造，生产，装配，测试，甚至运输及现场应用。当时我就有一种想放弃治疗的想法。。。。

那么，问题来了，我们怎么在电路中对其进行模拟并仿真呢？一般我们熟悉并且在电路仿真里面需要用到的模型有两种：CDM和HBM.

CDM就是所谓的Charge Device Model，HBM就是所谓的Human Body Model。

两者对比可以看出，一般来说CDM的电流比HBM的电流大一些、也快一些，因为并无较大的电阻在放电通路上面限制放电的过程。

因此，在ESD的仿真中，需要在supply上添加这样一个pulse电压。例如在某个工艺情况里：CDM情况下，supply上面需要加入一个高达15V的pulse，上升沿和下降沿都是200ps，持续4ns。而在HBM的情况下，这个pulse的peak电压仅仅只是6V，上升沿和下降沿是2ns，持续时间400ns。

这里插入一句那个哥们的话：“我们就是计算这种 secondary 的ESD的相关数值给你们用的啦。”说罢，事了拂衣去，深藏身与名。。。（说白了就是不告诉你怎么算，气死你……）

等等，为什么上来就说到了secondary ESD protection呢？既然有secondary ESDprotection，那primary ESD protection在哪里呢？

我们熟悉的IO结构，那种上下各有一个diode的pad，就是primary esd protection：

通用型的带ESD保护的IO

比如HBM模型里面，IO被加上一个+2000V的高压，则上面的diode D1就自然导通了，外界的高压顺着VDDP被迅速导走。同理，若是加上一个-2000V的高压，D2就导通了，大电流从VSSP快速流向IO，也未伤及内部的电路。

在这里，作者君想问大家一个问题：VDDP和VSSP都是给IO的diode们提供偏置的supply。那么VDDP和VSSP的IO 又当是怎么样的呢？还能上下各放一个diode吗？

快速思考一秒后……

肯定不能是这样的嘛！感觉就是不能这样……

那没有了上下两个diode，要如何保护VDDP和VSSP的IO呢？

嘿嘿，不如去看看VDDP和VSSP的IO电路好了！

包括了IO的ESD protection的pad模型

因此，此处应当有另外的ESD保护电路在VDDP的IO和VSSP的IO之间。比如VDDP被加上+2000V的高压时，通过这个ESD diode快速导走高压电流。而当VDDP是0，而VSSP被加上+2000V的高压时，这个……

等等，容在下先想想，这里有两个方向相反的diode吗？

……

一秒后。

如果VSSP被加上了+2000V，那么岂不是所有的IO都挺热闹了？

为什么这么说？

嘿嘿，所有的nwell都是被VDDP给biased成为0V，而substrate因为VSSP变成了2000V，那么，岂不是所有的nwell和sub之间的寄生diode都被打开了？

哇！想想看，听起来好欢乐的场景啊！

然后，作者君听说，还有一个所谓的“1 Ohm”原则，据说是从IO到那些esd diode之间的导通电阻必须要小于1 Ohm，以免寄生电阻太大，影响了快速放电的效果，避免有些“漏网之鱼”流到内部电路里面去了。所以大家若是仔细看看IO的版图，会发现那里metal真是密密麻麻的，“无所不用其极”。

最后，再多说一个小的电路（懒得画图，所以拿来借用一下）：

这也是一个ESD的保护电路。为什么要说这个呢？因为作者君昨天刚刚被要求在自己内部的电路上面加一个nmos的switch，这个nmos的gate就是图中A点。而且被人告知，这也是secondary ESD protection。（请大家注意，这个fig.1是io的一部分，那个大的nmos Mclamp并不是内部电路。这里是在说内部电路可以使用io的内部节点进行控制）

我们简单分析一下：如果VDD上面有高压pulse的时候，因为电容的电压滞后作用，电容上面的电压并没有跟着VDD迅速提高。因此此时Mp的gate电压值比source小了不少，导致Mp导通，A点也被连到了VDD上面，巨大size的Mclamp被打开，VDD和VSS通过Mclamp连在了一起。这样一来，VDD上面的pulse就这样被巨大的Mclamp给导走了，因此，我们脆弱的内部电路也就被保护了起来。

再回到作者君被要求加switch的地方。那个nmos的switch其实类似于一个power down的功能，只是被图中的A点控制着。当出现很严峻的ESD event的时候，内部电路能关断的赶紧关断，千万不能给ESD的大电流有可乘之机。

最后推荐大家一篇博士论文：http://www-tcad.stanford.edu/tcad/pubs/theses/ShuqingCao.pdftp://http://www-tcad.stanford.edu/tcad/pubs/theses/ShuqingCao.pdf

这篇论文里面还很详细的讲了随着工艺的缩小，所谓的ESD Design Window是如何越来越小的。因为gate oxide的尺寸越来越小，gate的击穿电压也会变小，ESD protection的可以使用的范围也越来越小。听起来真是很可怜！

据作者君的比较，0.18um的IO和28nm的IO大小并无很大区别（甚至28nm的似乎看起来更大一些）。花了那么多力气减小工艺尺寸，即使内部电路变小，却被IO的面积给瓶颈了。这真是个悲伤的故事啊！

最后多说一句：ESD经常跟leakage之间需要tradeoff。esd diode太大，protection变好，leakage却会变得比较恶劣，影响正常工作时的性能。需要使用的时候权衡利弊。