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电源IC失效常常是输入端受到电气过应力(EOS)的结果。本文对电源IC输入端ESD保护单元的结构进行解释，说明它们在遇到EOS事件时是如何受损。在系统设计中采用一些特别的设计可以避免EOS发生，防范它们可能带来的危害。
电源IC失效常常是输入端受到电气过应力(EOS)的结果。本文对电源IC输入端ESD保护单元的结构进行了解释，说明它们在受到EOS攻击时是如何受损。造成EOS攻击事件的原因常常是热插拔和导线或路径电感与低ESR陶瓷电容结合在一起形成的瞬态效应，在系统设计中采用一些特别的设计可以避免EOS的发生，防范它们可能带来的危害。
在产品研发和生产过程中总是会出现一些IC损坏的现象，要想找出这些IC损坏的根本原因并不容易。有些偶发性的损坏很难被重现，这时调查难度就会更大。
通过对损坏的区域进行仔细的探查，有时候可以对损坏元件进行准确定位，这对寻找可能的失效原因会有很大帮助。在很多情况下，元件失效的原因都是输入电压太高了。本文的后续章节将对Buck转换器输入端的结构进行介绍，给出过高的输入电压造成元件损坏的机制，通过不同的应用案例说明过高的输入电压是如何发生的，还将提供相应的问题解决方案。
Buck转换器输入端结构
电源输入端VIN被一个很大的ESD单元保护着，其保护范围包括内部稳压器和MOSFET，因而可以承受很高的静电电压。SW端子内部通常没有ESD单元，因为大型MOSFET本身就可以像ESD保护单元一样动作，静电电流可经其体二极体流向GND或VIN端，也可利用它们的击穿特性实现保护。BOOT端有一个ESD单元处于它和SW之间，其他小讯号端子也各有一个小型的ESD单元，它们通常都和输入串联电阻一起保护这些小讯号端子免受静电放电的危害。以立锜为例，在该公司的电源IC中，用于保护IC端子的ESD元件的动作电压介于元件的击穿电压和绝对最高工作电压之间，这样可避免它们在正常工作期间被触发。
ESD/EOS之差异
当超过静电释放(ESD)单元钳位元电压的过电压出现在IC端子上时，IC会不会损坏取决于ESD元件被击穿期间通过它的能量的多少。ESD和电气过应力(EOS)都是与电压过应力有关的概念，但它们之间的差异也很明确：
．ESD的电压很高(>500V)，持续时间相对较短(<1μs)。
．EOS的电压相对较低(<100V)，持续时间更长一些(通常>1μs)。
再以立锜为例，该公司旗下IC的ESD保护单元都是按照一定标准进行设计，这使得它们能够承受一定的ESD脉冲能量，这些标准是关于人体模型(HBM)的JESD22-A114(其电压值为2kV)和充电元件模型(CDM)的JESD22-C101E(其电压值为2kV)。人体模型的ESD放电过程含有极为陡峭的上升沿和大约300ns的指数式下降过程，充电元件模型的ESD放电过程呈现为极短时间的振荡脉冲，振荡周期约为4ns。比较而言，人体模型的ESD放电具有最高的能量等级。
静电放电总是在极短的时间内完成的，图1显示了JEDEC定义的人体模型ESD测试方法，其中的100pF电容首先被充电到一定的水准，然后通过一只1,500Ω电阻将电能释放到受试元件上。
图1 JEDEC定义的人体模型ESD测试方法示意图
由于多数受测元件的ESD保护单元的击穿电压都比测试电压低很多，ESD测试的峰值电流基本上都是由测试电压和1,500Ω电阻决定的。在此波形样板中，测试电压为2kV，由此带来的峰值电流为2kV/1.5k=1.3A。RC时间常数约为150ns，因此波形下降得很快，整个过程在1μs以内。
对于2kV的ESD测试来说，释放出来的电荷大约为0.2μC，这个资料可以被用于计算到底有多少能量在ESD期间进入ESD保护单元。例如，当ESD保护单元的击穿电压为27V时，2kV的人体模型ESD放电脉冲在其中释放的能量大约为0.2μC*27V=5.4μJ。如果是进行4kV的ESD放电测试，这个值就会翻倍到大约10.8μJ。
当持续时间更长的EOS事件发生时，冲击ESD保护单元的能量就会更多，常常超出ESD保护单元的最大冲击能量承受能力，这样就会在ESD保护单元中积累太多的热量，最终导致严重的毁灭性结果。通常情况下，晶片中支撑ESD保护单元的其他部分也会连带着一起受损。 |
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