一種新的MLCC陶瓷電容用于電路靜電ESD保護(hù)的電容容值計(jì)算方法

Part 01、前言

在電路設(shè)計(jì)中，靜電防護(hù)是不可忽略的關(guān)注因素，MLCC陶瓷電容作為一種低成本的靜電防護(hù)手段，應(yīng)用非常廣泛，很多人知道電容能用作靜電防護(hù)，但是卻不太清楚ESD電容的容值怎么選？在之前的文章中，我們介紹過(guò)基于電荷守恒定律計(jì)算ESD電容容值的方法詳解MLCC陶瓷電容用于靜電ESD保護(hù)的電路選型與計(jì)算，今天我們就介紹另外一種計(jì)算ESD電容容值的新方法，這個(gè)新方法比較適用于某些IC電源端口已經(jīng)集成了小功率TVS的設(shè)計(jì)，下面以實(shí)例進(jìn)行講解。

摩爾定律指出，在集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每隔18-24個(gè)月就會(huì)翻一番，臺(tái)積電已經(jīng)開始試產(chǎn)2nm制程工藝了，這導(dǎo)致IC氧化物厚度和導(dǎo)線寬度變得更薄，對(duì)于ESD就更敏感了，所以IC廠商會(huì)將靜電放電（ESD）保護(hù)集成到芯片中，但是由于IC尺寸縮小和特征尺寸減小，內(nèi)置ESD保護(hù)裝置（如二極管、閂鎖晶體管和多晶硅電阻）可能無(wú)法處理較高的ESD能量，可能導(dǎo)致保護(hù)失效。這意味著內(nèi)部ESD保護(hù)的能力有限，可能不足以應(yīng)對(duì)某些高能量的ESD事件，仍需要額外的外部保護(hù)措施。

當(dāng)IC遭受外部ESD事件時(shí)，外部的ESD電容會(huì)吸收一部分能量，剩余的能量會(huì)由IC內(nèi)部的ESD防護(hù)模塊吸收，那么遇到這種情況我們?cè)撊绾斡?jì)算電容容值呢？下面我們就以集成了小信號(hào)TVS的IC為例，講解一下外部ESD電容容值的計(jì)算方法。

Part 02、實(shí)例計(jì)算

計(jì)算的思路是外部的ESD電容吸收之后剩余的ESD能量不會(huì)超過(guò)IC內(nèi)部的ESD防護(hù)模塊允許吸收的最大能量。

1.IC允許的最大ESD脈沖能量W0如何計(jì)算？

W0=(Vesd0-Vcl)*Vcl*Cesd0

其中Vesd0表示規(guī)格書中IC允許承受的最大ESD電壓（比如下圖的5000V），可以在規(guī)格書中找到這個(gè)參數(shù)，Vcl表示IC內(nèi)部ESD防護(hù)模塊的鉗位電壓(比如下圖的64V)，Cesd0表示IC ESD測(cè)試的放電電容（比如下圖的100pF）。

2.添加外部ESD電容后，IC實(shí)際吸收的ESD能量W1如何計(jì)算？

W1=(Vesd1-Vcl*(1+Cext/Cesd1))*Vcl*Cesd1

其中Vesd1表示產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試的最大ESD電壓，比如8KV，Vcl表示IC內(nèi)部ESD防護(hù)模塊的鉗位電壓，Cext表示外部添加的ESD電容，Cesd1表示產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試的ESD 放電電容（比如330pF）。

3.添加的外部ESD電容容值如何計(jì)算？

基于IC實(shí)際吸收的ESD能量W1要小于IC允許的最大ESD脈沖能量W0可以計(jì)算出外部電容的最小容值：

Cext_min=((Vesd1-Vcl)*Cesd1/Vcl)-W0/Vcl*Vcl

以接觸放電8KV，源電容330pF，放電電阻2kΩ，可以計(jì)算出Cext_min>33nF。

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