Hiện tượng phóng điện do tĩnh điện (ESD) – Phần 9: Bảo vệ ESD cho mạch có nhiều nguồn cấp điện

(Phần 8: Toàn cảnh bảo vệ ESD cho mạch có một nguồn cấp điện)

…

Trong rất nhiều trường hợp thực tế, con chíp sử dụng nhiều hơn một nguồn cấp điện. Ví dụ như:

• Chíp digital có thể sử dụng nguồn điện áp thấp (cỡ 1V) cho phần lõi để giảm tiêu thụ điện năng nhưng vẫn phải sử dụng điện áp cao (1.8V, 2.5V, hay 3.3V) cho các mạch input/output để đảm bảo khả năng lái (driving) và tương thích với các mạch khác.
• Chíp analog, chẳng hạn chíp thu phát không dây, có thể sử dụng một nguồn cấp điện riêng cho mạch tạo tần số (VCO) và một nguồn cấp điện khác cho mạch khuyếch đại công suất (power amplifier) để đảm bảo tần số LO không bị ảnh hưởng bởi tín hiệu lớn từ mạch khuyếch đại công suất cho dù các mạch này sử dụng cùng một giá trị điện áp.
• Chíp mixed-signal (ADC/DAC) có nguồn riêng cho phần analog và phần digital để giảm thiểu nhiễu từ phần digital truyền qua phần analog.

Ta hãy xem xét một con chíp có 2 nguồn cấp điện như trong Hình 15. Mạch điện hoạt động từ nguồn thứ nhất, VDD₁/VSS₁, được bảo vệ bởi các double-diode và power-clamp nối với VDD₁/VSS₁. Mạch điện hoạt động từ nguồn thứ hai, VDD₂/VSS₂, được bảo vệ bởi các double-diode và power-clamp nối với VDD₂/VSS₂.

Hình 15: Mạch có hai nguồn cấp điện với đầy đủ mạch bảo vệ ESD cho từng nguồn.

Ta có thể thấy các mạch bảo vệ ESD này hoàn toàn có thể bảo vệ được các mạch điện bên trong nếu như dòng điện ESD chạy vào và ra ở các chân nằm trong cùng một nguồn điện. Ví dụ như trong Hình 15, dòng điện ESD được dẫn hoàn toàn bởi các mạch bảo vệ ESD nối với nguồn VDD₁/VSS₁.

Vấn đề là liệu các mạch bảo vệ ESD trên có khả năng dẫn dòng ESD đi vòng qua các mạch điện được bảo vệ hay không trong trường hợp các chân chịu ảnh hưởng của ESD nằm ở hai nguồn cấp điện khác nhau. Câu trả lời là không. Một ví dụ cho tình huống này được trình bày trong Hình 16. Trong ví dụ này, hiện tượng ESD xảy ra giữa chân I/O₁ nằm trong nguồn cấp điện thứ nhất và chân VSS của nguồn cấp điện thứ hai. Đầu tiên dòng điện ESD được dẫn từ I/O₁ sang VDD₁ nhờ một diode (theo đường mũi tên màu xanh lá cây). Từ đây dòng điện phải được dẫn sang VSS₂ bằng một cách nào đó. Do không có đường dẫn điện giữa VDD₁ và VDD₂ cũng như giữa VSS₁ và VSS₂, dòng điện ESD không có cách nào đi sang VSS₂ thông qua các dây nguồn (power bus). Kết quả là dòng điện ESD sẽ tìm một con đường khác, con đường đi xuyên qua các mạch điện cần được bảo vệ (theo đường mũi tên màu đỏ), để có thể thoát ra ngoài. Khi dòng điện ESD chạy xuyên qua các mạch điện vốn không được thiết kế để dẫn dòng điện lớn như dòng ESD thì nó sẽ làm hư hỏng chúng.

Hình 16: Dòng điện ESD khi hiện tượng ESD xảy ra giữa hai chân nằm trong hai nguồn khác nhau. Nếu không có đường dẫn dòng giữa các dây nguồn thì dòng điện ESD sẽ chạy xuyên qua và làm hư hỏng các mạch điện được bảo vệ.

Để tạo ra các đường dẫn dòng ESD giữa các nguồn cấp điện ta dùng các diode mắc song song ngược nhau (anti-parallel diodes) như trong Hình 17.

Hình 17: Bảo vệ các nguồn cấp điện bằng anti-parallel diodes.

Với các anti-parallel didoes nối các dây nguồn VDD₁ với VDD₂ và VSS₁ với VSS₂, dòng điện ESD có thể được dẫn ra khỏi con chíp hoàn toàn nhờ các mạch bảo vệ ESD. Các anti-parallel diodes phải được thiết kế sao cho chúng có thể dẫn dòng điện lớn và có điện trở nhỏ. Điều này có nghĩa là chúng phải có kích thước lớn (càng lớn càng tốt). Vì việc bảo vệ các con chíp với nhiều nguồn cấp điện chỉ đơn giản là tạo thêm các đường dẫn ESD trên các dây nguồn mà ta thường gọi việc bảo vệ ESD như thế này là bảo vệ các dây nguồn (protect the power buses).

…

(Phần cuối: Anti-parallel diodes)