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为何传统ESD保护方式毁了物联网产品体验?

2016/06/13
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“双二极管”是 IC 片上与片外最常见的 ESD 保护方法之一。该方法易于实现,占用面积最小,寄生电容小,漏电流也低,优点很多。

 
但是,对于物联网应用,“双二极管”方法却有弊端。特别是接到 VDD 的“上二极管”,会影响到物联网产品电路的功能。“双二极管”ESD 保护方法的局限主要有三点。
 
双二极管式 ESD 保护
 
 
传感器接口的电压不同于 IC 供电电压
有些物联网系统中传感器或致动器(actuator)接口的信号处理电路比较特殊,这些接口电路的电压有可能会超过 IC 供电电压。当信号电压高于 VDD 加二极管导通电压时,二极管会正向导通(从接口 pad 向 VDD 方向导通),从而产生从传感器到 VDD 的通路,引入电源噪声。
 
 
 
开漏电路(open drain)连接IC 之间的通信
很多物联网应用中,都有多颗 IC 共享一个通信通道的案例。I2C 就是这样一种常见的传感器通信接口。由飞利浦发明的 I2C 是一种多主、多从的单端串行总线。由于 I2C 通信只需要两根线,所以成本很低。I2C 通信适应性非常广,连到 I2C 总线上的 IC 供电电压不同(例如 3.3V、5V 或 1.8V)或者部分 IC 不供电,都不会影响 I2C 通信。
 
 
但是如果在 I2C 的两根信号 SDA 与 SCL 上加入连接到 VDD 的二极管做 ESD 保护,就需要使连接到 I2C 的所有 IC 都供电,并且供电电压也要相同,否则相互之间就不能通信。
 
SoC 子系统需要进入休眠状态
通常情况,为了减少总漏电流,物联网系统只有一小部分始终处于工作状态,其他电路大部分时间是关闭的,整个系统只在新数据出现时才会工作一小段时间。
 
 
但传统的“双二极管”式 ESD 保护方法可能会让漏电流加大。因为加在 IO 上的电压可能会唤醒部分应该休眠的功能模块。SoC 内部的 ESD 保护电路一样会遇到类似的问题,芯片内部不同区域之间通信时,IC 设计工程师会习惯性地加上双二极管来保护内部电路。如果没有 ESD 保护,芯片内部的敏感电路被打坏的可能性大幅增加,但是如果 SoC 中的子系统需要休眠,那么 IC 设计工程师需要考虑其他的 ESD 保护方法。

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