Hiện tượng phóng điện do tĩnh điện (ESD) – Phần 8: Toàn cảnh bảo vệ ESD cho mạch có một nguồn cấp điện

(Phần 7: Bảo vệ ESD cho các I/O tín hiệu với mạch “double-diode”)

Sau khi xây dựng được mạch power clamp để bảo vệ các chân cấp nguồn và mạch double-diode để bảo vệ các I/O ta có thể vẽ lại sơ đồ mạch bảo vệ ở Hình 6 (xem Phần 5) như sau:

esd_single_power_domain_chip_2

Hình 13: Sơ đồ chi tiết mạch bảo vệ ESD cho mạch điện có một nguồn cấp điện.

Như đã được giới thiệu trong Phần 5, dòng điện ESD trong mạch có một nguồn cấp điện sẽ đi qua mạch theo một trong các trường hợp sau:

  1. Dòng điện ESD chạy vào (ra) ở VDD rồi chạy ra (vào) ở VSS
  2. Dòng điện ESD chạy vào ở một I/O rồi chạy ra ở VDD
  3. Dòng điện ESD chạy vào ở VSS rồi chạy ra ở một I/O
  4. Dòng điện ESD chạy vào ở VDD rồi chạy ra ở một I/O
  5. Dòng điện ESD chạy vào ở một I/O rồi chạy ra ở VSS
  6. Dòng điện ESD chạy vào ở một I/O rồi chạy ra ở một I/O khác

Các tình huống phóng điện ESD trong danh sách trên được liệt kê theo mức độ phức tạp tăng dần của đường dẫn dòng ESD.

Trường hợp đầu tiên, và đơn giản nhất, là khi dòng điện chạy giữa VDD và VSS. Khi đó dòng điện ESD sẽ chạy qua mạch power clamp như được trình bày trong Hình 14a. Trong hình này xung dòng điện ESD chạy vào ở VDD và chạy ra ở VSS nhưng nó cũng có thể chạy theo chiều ngược lại. Điện áp cực đại rơi trên các thành phần bên trong mạch là điện áp giữa VDD và VSS và cũng chính là điện áp trên mạch power clamp: Vcir = Vpower clamp.

esd_path_vdd_to_vss

Hình 14a: Khi hiện tượng ESD xảy ra giữa VSS và VDD, dòng ESD sẽ chạy qua mạch power clamp.

Trường hợp thứ hai là khi dòng ESD chạy vào ở một I/O và chạy ra ở VDD. Dòng điện ESD chạy theo hướng này sẽ tạo ra một điện thế ở I/O lớn hơn điện thế ở VDD. Do đó diode D1 sẽ phân cực thuận và dẫn dòng điện từ I/O sang VDD như trong Hình 14b. Điện áp cực đại rơi trên các thành phần trong mạch là điện áp ngưỡng của D1: Vcir = Vth.

esd_path_io_to_vdd

Hình 14b: Khi hiện tượng ESD xảy ra giữa I/O và VDD mà I/O có điện thế lớn hơn VDD thì dòng ESD sẽ chạy qua diode D1.

Trường hợp thứ ba, khi dòng ESD chạy vào ở VSS và chạy ra ở một I/O, thì tương tự như trường hợp thứ hai nhưng chỉ khác ở chỗ diode được phân cực thuận là diode D2 nối giữa VSS và I/O (Hình 14c). Điện áp cực đại rơi trên các thành phần trong mạch là điện áp ngưỡng của D2: Vcir = Vth.

esd_path_vss_to_io

Hình 14c: Khi hiện tượng ESD xảy ra giữa I/O và VSS mà VSS có điện thế lớn hơn I/O thì dòng ESD sẽ chạy qua diode D2.

Trong ba trường hợp kể trên, dòng điện ESD chỉ chạy qua một thành phần của mạch bảo vệ ESD – một diode trong mạch double-diode hoặc một transistor trong mạch power clamp. Trong các trường hợp tiếp theo, dòng điện ESD sẽ chạy qua nhiều hơn một thành phần của mạch bảo vệ ESD.

Trường hợp thứ tư, khi dòng điện ESD chạy vào ở một I/O và chạy ra ở VSS. Trước tiên, tương tự như trường hợp 2, khi có dòng điện chạy vào I/O thì diode D1 sẽ chuyển sang trạng thái phân cực thuận để dẫn dòng điện ESD sang VDD. Sau đó dòng điện sẽ được dẫn từ VDD sang VSS qua mạch power clamp như trong trường hợp 1. Kết quả là ta có dòng điện ESD chạy như trong Hình 14d. Có hai thành phần trên đường dẫn dòng ESD: diode D1 và mạch power clamp. Điện áp cực đại rơi trên mạch là Vcir = Vth + Vpower clamp.

esd_path_io_to_vss

Hình 14d: Khi hiện tượng ESD xảy ra giữa I/O và VSS mà I/O có điện thế lớn hơn VSS thì dòng ESD sẽ chạy qua diode D1 và power clamp.

Trường hợp thứ năm, khi dòng điện ESD chạy vào ở VDD và chạy ra ởmột I/O thì mạch power clamp và transistor D2 sẽ dẫn dòng ESD từ VDD sang VSS rồi ra I/O (Hình 14e). Điện áp cực đại rơi trên mạch là Vcir = Vth + Vpower clamp.

esd_path_vdd_to_io

Hình 14e: Khi hiện tượng ESD xảy ra giữa I/O và VDD mà VDD có điện thế lớn hơn I/O thì dòng ESD sẽ chạy qua power clamp và diode D2.

Trường hợp thứ 6 cũng là trường hợp cuối cùng và phức tạp nhất. Đó là khi dòng ESD chạy vào ở một I/O và chạy ra ở một I/O khác (xem Hình 14f). Ở I/O1 (nơi dòng điện ESD chạy vào), diode D11 sẽ phân cực thuận để dẫn dòng sang VDD. Sau đó dòng ESD từ VDD chạy sang VSS qua mạch power clamp. Cuối cùng dòng ESD sẽ chạy từ VSS sang I/O2 qua diode D22. Điện áp cực đại trên mạch là Vcir = 2Vth + Vpower clamp.

esd_path_io_to_io

Hình 14f: Khi hiện tượng ESD xảy ra giữa hai I/O thì dòng điện ESD sẽ chạy qua các mạch double-diode ở các I/O cũng như mạch power clamp.

Trong các trường hợp 4, 5, và 6, khi có nhiều thành phần tham gia vào đường dẫn dòng ESD, điện áp cực đại trên mạch điện, Vcir, có thể lớn hơn điện áp đánh thủng. Tuy nhiên Vcir có thể không tác động trực tiếp lên các thành phần trong mạch được bảo vệ nên mạch có thể vẫn an toàn. Tất nhiên là tính an toàn sẽ được đảm bảo hơn nếu Vcir được thiết kế thấp hơn điện áp đánh thủng.

(Phần 9: Bảo vệ ESD cho mạch có nhiều nguồn cấp điện)

Advertisements

Trả lời

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Đăng xuất / Thay đổi )

Connecting to %s

%d bloggers like this: