工程师指南：HDMI ESD保护(第一部分)

作者：Jeffrey Dunnihoo
应用工程师
CMD公司
电路制造商持续不断地缩小它们的器件中的晶体管、互连和绝缘层的最小尺寸，从而使高速器件的结构更小，最终导致器件在较低的能级也更易于因击穿效应而损坏。
新的高级HDMI(高清晰多媒体接口)功能处理具有明显的复杂性之外，想当然地采用简单的ESD(静电放电)单元可能会导致延迟和成本超出限度，并且可能在消费电子产品上市之前难以显著地发现问题。应对这些简单ESD的问题的解决方案可能比补久复杂的问题更耗费成本和时间。
早期在设计周期中的“丢弃”各种ESD器件的选择，如离散元器件或PCB堆叠定义，可能常常比深奥的缩放和链路层设计或HDMIASIC选择问题更为重要。通过下面对HDMI设计中ESD问题的讨论(见性能尺度和ESD陷阱)，你将轻易地避免许多对ESD保护元器件的错误理解。
本文分为两个部分来探讨系统ESD保护的设计问题，第一部分介绍保护选项和规范；第二部分介绍在ESD保护选择中涉及的总的信号完整性问题。
虽然在HDMI 1.3中实现了较高的分辨率和像素深度，集成电路制造商已经持续地缩小了它们的器件中的晶体管、互连和SiO2绝缘层的尺寸。这就导致高速器件的结构更小，因而在较低的能级也易于受到击穿效应的破坏。在发生ESD的时候，SiO2层很可能断裂，金属线很可能开路或桥接。
HDMI接收器和发射器将包括一些用于受控制造环境的片上ESD保护功能，但是，典型的实际ESD攻击可能传递高达30A的峰值电流，而足够的I2R将永久性地破坏在深亚微米HDTV接收器或DVD发射器IC (见图1)中比较小的输入嵌位二极管。在寒冷的圣诞节早晨，站在地毯上把新的视频游戏机插入到家用电视时，业界标准IEC 61000-4-2估计处理这样的ESD脉冲需要采用8KV的ESD保护器件。
为了经受可重复的测试，必须采用更大的外部ESD保护箝位器件，以便在不破坏HDMI(或其它I/O)IC的前提下，把该能量旁路到地。这些外部模拟箝位器件的制造尺寸通常由功率处理容量来规定，并不会从标准的工艺缩放中获得成本改进。实际上，这些8KV ESD保护箝位器件由于采用较老、较大几何尺寸的工艺制造，因而成本效益更高。
与此同时，在PCB上的受控阻抗微带TMDS互连可能成为HDTV或DVD设计中某些最重要的信号完整性问题的焦点。随着比特率的攀升，互连路径的带宽可能很快成为削弱重要谐波成分的瓶颈，这些重要谐波的频率可能比TMDS基波要高4-5GHz。
所以，系统设计工程师面对的问题发展包括两个领域：(1)添加保护电路，以便在ESD冲击期间把破坏性的能量从精巧的ASIC旁路；(2)在正常的工作过程中维持互连的信号完整性。
ESD保护系统的交互作用
ESD冲击脉冲的带宽很宽、上升时间很短且峰值能量很大。一旦这种能量进入HDMI电缆或连接器，ESD保护器必须把冲击电流与ASIC隔开。

图1：IEC 61000-4-2脉冲形状
当ESD保护器开始箝位时，它把电流旁路到地(或流出地)。与此同时，ASIC已经看到一些这种上升沿，并可能也开始传导。这种电流的共享是系统级ESD设计中的关键要素，它不能仅仅根据一个元器件的数据表来指定。
此外，还有许多其它的可重复测试方法，包括IEC的箝位电压和传输线脉冲(TLP)测试方法都被用于证明给定元器件的电气特性。但是，在数据表中，唯一可以显示的就是作为被测器件(DUT)的ESD保护器。显然，这种情形在真实的系统中实际上不可能发生，因为不可能在某个节点上放置一个没有任何其它受保护电路的ESD保护器。
为了理解何处(及何时)ESD能量被耗散掉，考察瞬时箝位电压以及流经被保护器件(DUP)ASIC的ESD脉冲产生的剩余电流就很有趣(见图2)。这种交互作用在数据表中没有，因为它完全取决于DUP和DUT之间的交互作用。

图2：Iresidual的概览
系统ESD的实例
两块电路板采用相同的ESD保护元器件和两个不同的ASIC DUP。

表1：相同的ESD保护箝位和不同的ASIC
经过测试发现，系统A经受了8KV冲击而未受破坏，但是系统B实际上在3KV冲击就失效了。这是违反直觉的，当然，因为根据对数据表的匆忙核查，看起来采用最高单独ESD保护额定值的系统完全能够满足最严酷的系统使用环境的要求，而实际情况并不总是这样。
ASIC A没有任何严格的内部高压箝位，大部分受所施加的脉冲的支配。门栅和金属层仅仅能够承受施加到它们上面的电压，而500V HBM指标仅仅反映该工艺可以承受的极限。然而，如果在系统中与连接器附近的外部ESD保护箝位器件一起布线，ESD保护箝位一定会把脉冲电压施加的所有电流中的大部分旁路掉。由脉冲产生的所有的可感测的I2R加热被ESD保护器耗散，从而不会对ASIC造成影响。
ASIC B具有快速响应和小几何尺寸的二极管箝位器件，几乎与并联的ESD保护器同时开始传导电流。即使ESD保护器仍然耗散了大约80%的功率，这颗ASIC上的箝位二极管器件很快就会烧毁，把该节点短路，然后，承受所有其它的脉冲和后续脉冲。然而，相关的接口现在却不可使用，或许要重启一部电源，从而造成整个系统瘫痪。

图3：ASIC影响系统的性能
更糟糕的是，因为ESD输入阻抗可能比50欧的走线阻抗高很多，ESD保护器和ASIC的动态阻抗可能会下降到几个欧姆，然后，在系统中的ASIC DUP可能实际上出现峰值电平较高的反射和振铃，该电平比地到引脚元器件测试产生的峰值电平要高。
ESD保护陷阱决定系统级性能
此外，提高ESD保护的额定电压的一种折衷办法是提高DUT的动态阻抗，从而限制在给定冲击电压下ESD保护器要支撑的电流(见表2)。当然，能量必须被耗散掉，那就意味着ASIC DUP必须：要么耗散掉额外的能量，要么尽早损坏！在这种情形下，相对具有小得多的动态箝位阻抗的系统Y而言，具有8KV保护器的系统X可能具有较低的系统ESD保护性能。
在此，重要的是在评估系统级ESD保护性能之前，考虑所有元器件之间的交互作用。

表2：由于箝位掉的能量较少，可能要采用额定电压更高的ESD保护元器件
所以，要记住的关键一点是：每一个元器件都选择最高的额定参数，并不一定就能获得所需要的ESD保护性能，但是，要在开发初期把这些元器件放在系统中进行评估和比较。

数据表的逐条比较
由于被测偏置点、频率范围、差异性或未定义的脉冲测量条件的不一致，要从数据表比较着手总是有困难的。此外，由于元器件数据表只能表示电路的外在性能参数，设计工程师预测系统内在性能的工作被复杂化了，并且系统的版图设计和交互作用问题不能完全仅仅从ESD保护元器件的角度来定义。
比较两个元器件的最佳办法是在基准上逐条比较。
尽管许多半导体公司已经坚持采用非正式的表达标准来报告采用行业标准进行测试所得到的结果，但是，大多数实际系统的性能完全不能仅仅通过ESD保护元器件来预测。
对你来说，要借助于一两条法则来作出决策是不可能的。即使对仅仅有几个引脚和若干参数的一个元器件，也要遵循墨菲定律。
你的ESD保护元器件供应商应该帮助你选择产品和版图，以便根据你选择的HDMI ASIC所需要的保护来提供最佳的整体系统性能。你可能需要调节ESD保护箝位器件的布局和布线，或选择一种不同的ESD保护箝位拓扑。
要索取安装了你计划采用的所有元器件的评估板或产品板。不要指望从供应商Y那里获得的下一批HDMI ASIC的ESD性能跟你现在的系统一样。尽管他们提供的经过降低成本和改进性能的设计仍然满足芯片级的ESD保护处理规范，但是，你的网络系统级ESD保护性能却可能不稳定。