RF电路ESD防护设计课件

1、RF电路ESD防护设计,目录,ESD概述 ESD防护设计方法 过压防护原理和防护器件介绍 RF电路ESD防护设计技术 ESD防护实验 案例分析,ESD概述,基本概念 半导体器件静电敏感特性 ESD危害及损坏机理 ESD防护控制手段,基本概念,Electrostatic Electrostatic Discharge（ESD） 接触放电，击穿介质放电 ESSD（Electrostatic Sensitive Devices） ESDS（Electrostatic Discharge Sensitivity）,ESD模型,人体模型 HBM 人体金属模型 HBMM 机器模型 MM 充电器件模型 CD

2、M 场感应模型 FIM（FICDM） 电缆放电事件 CDE,半导体器件静电敏感性,尺寸（更加细小精密） 集成度（更加复杂） 材料（更加静电敏感）,半导体器件静电敏感性,高频器件静电敏感特性,尺寸 尺寸小，结薄 材料工艺 GaAs，SiGe，InP，InGaP，Si FET，HBT，HEMT，BiCMOS，BJT 集成度,ESD危害,器件损伤 硬损伤，软损伤 EMI 功能故障，系统跑飞 污染（静电吸附）,ESD损坏器件机理,Fields.voltage 介质击穿 Joule heating.energy 热熔化,ESD损伤器件机理,介质击穿,ESD损伤器件机理,热熔化,ESD防护控制手段,过程控

3、制 EPA（ECA） 环境，人员，材料 接地 防护设计 结构，工艺，电路,ESD防护设计方法,ESD测试标准 ESD防护设计思想和流程 结构防护设计 工艺防护设计 电路防护设计,ESD测试标准,IEC61000-4-2（GB17626-2） Electrostatic discharge immunity test 外壳 接触放电 空气放电 接口,ESD测试标准,ESD测试放电波形,静电放电枪（ESD Gun）模型,ESD防护设计思想,消除静电源 切断放电通路（隔离静电源） 控制放电电流 端口防护： 在端口最近位置泻放ESD电流，阻止ESD脉冲进入后续电路。,ESD防护设计流程,器件选用、防护

4、电路设计、结构设计、工艺设计、材料选择 测试验证，改进优化,结构防护设计,布板（元件位置） 接地（金属部件，单板，设备） 产品材料应用（塑料材料的防静电处理） 屏蔽（接口，开窗，开关，键盘，敏感单元） 增加放电路径长度 包装材料,工艺防护设计,单板布线（边缘，屏蔽） 标识，标签（单板，产品，过程） 制造工具及工序，防静电处理 辅助材料 接地（装备，仪器，工具） 放电处理,电路防护设计,静电敏感器件的选用 设计端口ESD防护电路 单板、产品安全测试方法,过压防护原理和防护器件介绍,过压防护原理 过压防护器件工作机理 防护器件特性对比 接口防护器件结电容要求 低容值防护器件介绍,过压防护原理,高电

5、压-大电流 电压箝位 电流泻放 能量反射衰减,过压防护器件,MOV（MLV） TSS GDT TVS 二极管 ESD/EMI专用防护器件 R、L、C网络,非线性器件 线性器件,过压防护器件特性,工作电压 击穿电压 箝位电压 维持电压/电流 通流容量/功耗 结电容 响应时间 极性 寿命,MOV（MLV）工作原理,MOV（MLV）工作原理,TSS工作原理,阻断区 雪崩区 负阻区 低阻通态区,GDT工作原理,击穿电压 续流维持电压（2050V ）,TVS工作原理,二极管工作原理,快速开关二极管 稳压二极管 PIN二极管（低频功率型 ） 高击穿电压、速度快、电容量很小、PN结面积小、结薄 肖特基二极管

6、（低频整流型功率管） 较低的正向压降（0.2V至0.3V），很小的结电容，位垒薄,Polymer ESD抑制器工作原理,压敏介质 ：高分子聚合物（极低容值）,R、L、C网络工作原理,电阻衰减网络 能量衰减 LC滤波器 带外能量反射/衰减,防护器件特性对比,接口防护器件结电容要求,接口防护器件结电容要求,RF接口适用的ESD防护器件,低容值快速开关二极管 低容值TVS管 R、L、C网络 低容值MLV 低容值聚合物ESD抑制器,低容值防护器件介绍,快速开关二极管 PHILIPS TOSHIBA NEC INFINEON ON SEMI,低容值防护器件介绍,TVS CAMD （CM12xx） PRO

7、TEK （POSTxxLC ）,低容值防护器件介绍,MLV AVX EPCOS LITTELFUSE,低容值防护器件介绍,聚合物ESD抑制器 Littlefuse （PGB） COOPER （ESDA）,RF电路ESD防护设计技术,RF接口ESD防护设计难点 RF电路ESD防护设计的一般要求 ESD防护设计方法和技巧 降低防护电路对RF信号质量的影响,RF接口ESD防护设计难点,阻抗匹配 结电容 寄生电感 限幅 导通电压 ESD信号的宽频谱特征,RF接口ESD防护设计难点,ESD信号的频谱特征,RF电路ESD防护设计的一般要求,整机、单板、组件外壳的空气和接触放电：8000V 整机、单板、组件

8、外部RF接口的接触放电：4000V，不得低于2000V；内部RF接口的接触放电：2000V，不得低于1500V 无线终端外部接口的接触放电：4000V,静电敏感器件的选用,优选防静电能力强的RF器件 1000V（HBM） 200V（MM） 500V（CDM） 中低频应用应优选Si双极器件 禁止选用防静电能力小于100V（HBM、MM and CDM同时满足）的器件,ESD防护设计方法和技巧,ESD防护电路设计总体原则： 对ESD信号来说，接口输入点和地之间的并联阻抗要尽量小，而接口输入点和被防护器件之间的串联阻抗要尽量大；对工作信号来说，接口输入点和地之间的并联阻抗要尽量大，而接口输入点和被防

9、护器件之间的串联阻抗要尽量小。,ESD防护设计方法和技巧,应避免静电敏感器件和静电敏感引脚直接应用在RF电缆连接端口，RF插座端口应设计ESD防护电路，RF电缆在插装前先进行放电处理 RF接口的芯线应处于外物不易触及的状态，如RF插座和电缆端头设置静电防护帽 静电敏感器件、及其高静电敏感引脚、高静电敏感端口应该避免设计直接的测试点，或测试点远离这些引脚，或采用间接测试方法 ESD防护电路应尽可能靠近RF接口，而被保护的器件应尽量远离RF接口,ESD防护设计方法和技巧,ESD防护电路应有双向防护能力 ESD防护电路的开启电压（触发电压）和箝位电压（或二极管导通电压）应大于RF信号可能的最大峰值电

10、压，同时要远远小于被防护器件的ESD阈值电压 ESD防护电路的响应时间要小于被保护器件的响应时间 ESD防护电路要有在短时间内释放较大的静电能量而不自损坏的能力,ESD防护设计方法和技巧,在电路系统信号指标分配和布板许可的情况下，应优选R/L/C等无源元件组成的滤波或衰减网络形成ESD防护电路，提高电路的可靠性 对于工作信号在1GHz以上的RF接口，建议优先采用LC高通滤波器进行ESD防护 优选低容值防护器件 优选大电流容量器件（如电感）,ESD防护设计方法和技巧,串联电感的处理,ESD防护设计方法和技巧,串联电感的处理,ESD防护设计方法和技巧,泻放电容改善寄生电感对ESD防护的影响,ESD

11、防护设计方法和技巧,环行器、耦合器、高频信号传输变压器、高频隔直电容等器件的隔离特性的有效利用,ESD防护设计方法和技巧,ESD防护电路的防护能力与选用的防护器件、被防护器件的ESD敏感度、电路结构形式、布线等因素密切相关，一般无法直接单独确定一个防护电路的防护能力，必须把防护电路和被防护的具体电路作为一个整体并按照标准IEC61000-4-2的测试方法进行测试，以确定一个实际电路的防护效果。,降低防护电路对RF信号质量的影响,降低防护电路的等效结电容 提高防护器件的导通电压 结电容、寄生串联电感（引线电感、布线电感）、箝位电压（或导通电压）、反向漏电流、反向耐压、最大峰值电流、功率容量,降低

12、结电容方法,二极管偏置法,降低结电容方法,二极管串联法,降低结电容方法,二极管串联并加偏置法,降低结电容方法,二极管反向串联和偏置法提高残压,降低结电容方法,射频电路匹配法,提高导通电压方法,二极管偏置法,提高导通电压方法,二极管串联法,提高导通电压方法,开关二极管导通电压随温度的升高而降低 结温25和150相比，BAV99单二极管的限幅点将由7dBm（RF峰值0.7V）降到4dBm （RF峰值0.5V）左右 。,提高导通电压方法,TVS管或MLV法 中低频应用 击穿电压在几伏到几十伏之间可随意选择 残压较高,提高导通电压方法,二极管串联电容法 此防护电路用于RF放大器SGA6489的输入端时

13、，电容C1和C2等于0.02uF，其抗静电能力达到2500V；电容C1和C2等于0.47uF，其抗静电能力达到4000V。（RF压缩在1GHz仿真，实际测试约为39dBm。）,RF接口ESD防护电路综合设计法,MLV、各种二极管、R/L/C 二极管串并联、匹配设计、滤波、隔离、衰减,ESD防护实验,ESD防护实验方案 ESD防护实验数据分析 ESD防护实验总结,ESD防护实验方案,ESD防护电路对RF信号质量的影响测试电路,ESD防护实验方案,ESD防护效果测试电路,ESD防护实验方案,ESD残压测试,ESD防护实验数据分析,MLV TVS 开关二极管 聚合物ESD抑制器 RLC衰减或滤波网络

14、,MLV,500V良好, 1000V损坏,MLV,500V良好, 1000V损坏,MLV,3500V良好, 4000V损坏,TVS,3500V良好, 4000V损坏,TVS,2000V良好, 2500V损坏,TVS,4000V良好, 5000V损坏,开关二极管,3500V良好, 4000V损坏,开关二极管,2500V良好, 3000V损坏,BZX84C30：1000V良好,1500V损坏,开关二极管,5.1nH：8000V良好,8500V损坏,4500V良好, 5000V损坏,开关二极管,3500V良好, 4000V损坏,0.02uF：1500V良好,2000V损坏,聚合物ESD抑制器,E5输

15、入端700V损坏,输出端1500V损坏,聚合物ESD抑制器,E5输入端400V损坏,输出端1000V损坏,电阻衰减网络,SGA-6489,LC高通滤波器,高通滤波器抑制ESD脉冲示意图,ESD Power,20 10 0,IL dB,F MHz,0 -10 -20 -30,ESD,Filter,LC高通滤波器,LC高通滤波器,7000V良好, 8000V损坏,LC高通滤波器,LC高通滤波器,9000V良好,ESD防护实验总结,ESD残压越小，防护效果越好 箝位电压越小，ESD残压越小 响应速度越快，残压的峰值越低，峰值脉宽越窄 同时具有泻流功能和阻隔功能的防护电路的防护效果更好,ESD防护实验总结,高容值的MLV ，低容值的MLV 低容值聚合物ESD抑制器 低容值的TVS ESD防护能力可以达到2000V4000V，和电感并联可以取得更好的防护效果，可用于几百MHz以下的RF接口。 高速开关二极管 较低的容值和较低的导通电压 ，防护效果好，设计灵活，可用于2.5GHz以下RF电路。,ESD防护实验总结,高通LC滤波器 同时具有泻流功能和阻隔功能，且响应速度快，ESD防护效果好，在GHz以上的RF