专利名称：用于静电放电保护的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及静电放电(ESD)保护。具体地，本公开涉及一种用于提供ESD电路保护的方法和系统。
背景技术：
在ESD系统中，集成电路芯片可以包括暴露于外部连接的连接元件。例如，附着至将若干PCB相连接的信号总线的关键管脚或附着至外部连接器的管脚，如USB管脚。这些连接元件在板子上配备有附加的有源和无源保护元件，以经受较高系统应力脉冲。这些连接元件的芯片上电路以及板上保护电路必须关于导通和钳位(clamping)特性而匹配。例如，用于保护的板上二极管必须对外部连接元件的芯片上电路的大部分电流进行分流并且限制外部连接元件的芯片上电路两端的电压降。在一些情况下，可能必须放置无源保护元件(如电阻器)以提供这种匹配。需要一种用于为必要的板组件和IC要求提供ESD保护电路的系统和方法。
发明内容
本公开提供了一种用于ESD保护的方法和系统。在一个实施例中，所述系统包括 包括至少一个非线性元件的电路；应用模块，被配置为将电流脉冲的集合应用于所述电路； 确定模块，被配置为基于所应用的电流脉冲的集合来确定所述电路的至少一个频率相关和振幅相关传递函数；建模模块，被配置为对所述至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模；以及仿真模块，用于基于模型来仿真向所述电路的传输。在备选实施例中，本公开提供了一种用于ESD保护的方法。所述方法包括应用至少一个电流脉冲以确定电路的至少一个频率相关和振幅相关传递函数；基于所述至少一个频率相关和振幅相关传递函数，对所述电路的至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模；以及基于模型来仿真向所述电路的传输。在另一备选实施例中，本公开提供了一种包含在有形介质中的计算机程序产品， 所述计算机程序产品包括计算机实现指令，所述计算机实现指令用于确定电路的至少一个频率相关和振幅相关传递函数；基于所述至少一个频率相关和振幅相关传递函数，对所述电路的至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模；基于模型来仿真向所述电路的传输；以及将所述电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量与至少一个电压失效阈值(fail threshold)和至少一个能量失效阈值进行比较。
图1是示意了根据本公开的一个实施例的ESD保护电路的图。图2是示意了根据本公开的一个实施例的用于ESD保护的系统的图。图3是根据本公开的一个实施例的用于ESD保护的系统的一个实施方式的图。图4是根据本公开的一个实施例的示例ESD保护过程的流程图。
具体实施例方式参照图1，根据本公开的一个实施例描绘了示意ESD保护电路的图。如图1所示， ESD保护电路100包括印刷电路板(PCB)102，该印刷电路板(PCB)102具有PCB 二极管104、 线性元件106、以及集成电路110内的输入/输出子电路108。线性元件106可以包括电感、 电阻或电容。ESD保护电路100可以包括至少一个非线性元件。PCB 二极管104可以包括 TVS 二极管。IO子电路108和PCB 二极管104可以由增大的电流的Dirac脉冲或逐步传输线脉冲来表征。参照图2，根据本公开的一个实施例描绘了示意用于ESD保护的系统的图。在该实施例中，系统200包括电耦合至输入端112的应用模块202。应用模块202将电流脉冲的集合提供给ESD保护电路100。电流脉冲的集合可以具有较短的上升时间(如大约10皮秒)以及从大约IOmA至大约IOA变化的电流电平。然而，电流脉冲还可以具有不同的电流电平和预定的脉冲长度。为了检测PCB 二极管104和IO子电路108的导通特性，由应用模块102应用的电流脉冲的集合应当具有较快的上升时间(如小于1 ns)。此外，电流脉冲的集合的脉冲长度应当足以允许该器件在导通后达到似稳态。足够的脉冲长度的示例是大于20 ns。另一示例电流脉冲可以是具有100 ps上升时间和从纳秒范围至微秒范围的可变脉冲长度的50欧姆传输线脉冲。为了检测ESD电路100的元件的非线性，可以应用类似的但具有更高源阻抗的脉冲，例如1千欧传输线脉冲。在系统200中提供了确定模块204，以基于由应用模块202在输入端112处应用的电流脉冲的集合来确定ESD电路100的至少一个频率相关和振幅相关传递函数。例如，第一频率相关和振幅相关传递函数可以由确定模块204在PCB 二极管104处确定。第二频率相关传递函数可以由确定模块204在线性元件106处确定。第三频率相关和振幅相关传递函数可以由确定模块204在IO子电路108处确定。确定模块204可以电耦合至PCB 二极管104、线性元件106和IO子电路108。在一个实施例中，确定模块204根据时间相关事件(incident)的傅里叶变换和在由应用模块202应用的电流脉冲的集合的每个不同电流电平下传输的波形来导出至少一个频率相关和振幅相关传递函数。所传输的方脉冲在频域中由正弦函数的集合表示，例如，
sin {cotp) /co,其中，tp表示电流脉冲的持续时间。电压振幅随器件的类型而变化。一旦确定了至少一个频率相关和振幅相关传递函数，就在系统200中提供建模模块206，以对非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模。建模模块206将入射波形的频谱分割为多个频带。在一个实施例中，然后，建模模块206根据查找表来确定至少一个频率相关和电流相关阻抗。查找表可以包括根据至少一个频率相关和振幅相关传递函数确定的多个电流电平和频带相关阻抗。备选地，建模模块206可以导出根据至少一个频率相关和振幅相关传递函数确定的分析函数。然后，建模模块206使用分析函数来计算至少一个频率相关和电流相关阻抗。一旦对非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行了建模，就提供仿真模块208，以基于模型来仿真向ESD电路100的传输。为了仿真该传输，仿真模块208启动应用模块202，以在输入端112处将具有多个增大的电流电平(最多至最大值)的至少一个电流脉冲以及至少一个电路参数应用于ESD电路100。然后，仿真模块208在每个增大的电流电平下确定电路100的至少一个元件的电压振幅和耗散能量。在系统200中提供了比较模块210，以将电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量与至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值进行比较。在一个实施例中，电路的至少一个元件的电压振幅包括电流相关曲线的集合。至少一个电压失效阈值包括频率范围内的多个电压振幅。提供了比较模块210，以将电流相关曲线的集合中的每一个的振幅与给定的电压分布(profile)进行比较。给定的电压失效分布(在一个实施例中)是至少一个电压失效阈值和电流脉冲的集合中的一个的加权功率谱的乘积。至少一个电压振幅失效阈值依赖于受应力的芯片上电路(如栅氧化层)以及所考虑的应力脉冲的功率谱。一种用于确定至少一个失效电压振幅的方式是相对于应力脉冲的功率谱对电压振幅进行归一化并与所讨论的电路的电压振幅进行比较。基于电路的至少一个元件的耗散功率在频率上的积分来确定电路的至少一个元件的耗散能量。基于至少一个电流脉冲的功率谱的积分以及所传输的电流振幅与入射电流振幅之比来确定电路的至少一个元件的耗散功率的积分。例如，可以根据等式P... ..「.) = IP* )· !Sil ω, } ι d < P-,..(对于
任何=(=...)来确定电路的至少一个元件的耗散功率在频率上的积分，其中，Ρ(ω)是所考虑的ESD脉冲的功率谱，S21是所传输的电流振幅与入射电流振幅之比，In是入射脉冲的电流电平，Pteans是传输功率，Pfflax是根据脉冲持续时间状态(regime)中的多个能量电平或基于时间状态的mmsch-Bell函数(如半个脉冲宽度)来导出的。在一个实施例中，所述至少一个能量失效阈值包括脉冲持续时间状态中的多个能量电平，在脉冲持续时间状态中，至少一个能量失效阈值依赖于所应用的电流脉冲的长度。 例如，在较短长度脉冲状态(《10 ns)中，至少一个能量失效阈值线性依赖于脉冲持续时间 (绝热状态)。在中等脉冲持续时间状态(如大约10 ns至10 μ S的脉冲长度)中，由于脉冲期间的热传导，使得在至少一个能量失效阈值与脉冲长度之间存在平方根关系。备选地，所述至少一个能量失效阈值包括似稳态中的多个能量电平，在似稳态中， 至少一个能量失效阈值与所应用的电流脉冲的长度无关。在该状态中，由于本地耗散的功率和脉冲期间的热传导的平衡，使得至少一个能量失效阈值与脉冲长度无关。通过仿真电路的传输并检查电路的各个位置处的电压和能量，可以在没有与所传输的波形有关的预先假设的情况下执行对宽频谱上电路健壮性的全面评估。此外，该仿真提供了对ESD电路的瞬态特性的实际评定，从而可以优化电路的设计。在系统200中提供了校正模块212，以基于电压振幅和耗散能量与至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值的比较来调整电路的至少一个参数。参照图3，根据本公开的一个实施例描绘了用于ESD保护的系统的一个实施方式的图。在该示例实施方式中，系统300包括数据处理系统302、ESD电路100和数据处理系统304。数据处理系统302电耦合至ESD电路100并包括应用模块202。数据处理系统302 可以是能够产生电流脉冲并接收其他数据的任何系统，如脉冲产生器。脉冲产生器可以是单通道脉冲产生器或多通道脉冲产生器(如数字脉冲产生器)。系统300还包括电耦合至ESD电路100的数据处理系统304。在该实施方式中，数据处理系统304包括确定模块204和建模模块206。确定模块204被配置为基于由应用模块202应用的电流脉冲的集合来确定至少一个频率相关和振幅相关传递函数。建模模块 206被配置为对电路100的至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模。数据处理系统304还包括仿真模块208、比较模块210和校正模块212。仿真模块 208被配置为基于来自建模模块206的模型来仿真向电路100的传输。比较模块210被配置为将从电路的至少一个元件测量的电压振幅和耗散能量与至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值进行比较。校正模块212被配置为基于所测量出的电压振幅和耗散能量与至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值的比较来调整电路100的至少一个参数。数据处理系统304可以是能够确定传递函数并对电路100中的元件的特性进行建模的任何系统，如控制器、处理器、个人计算机、服务器或者能够执行确定此类函数并对此类特性进行建模所必需的计算的其他类型的系统。此外，确定模块204、建模模块206、仿真模块208、比较模块210和校正模块212可以被实现为可由数据处理系统304作为程序执行的计算机实现指令。所述计算机实现指令可以包含在有形的计算机可读介质(如硬盘、软盘或非易失性存储器)中。注意，图3所示的系统300仅用于示意的目的。系统300可以包括更多或更少数目的数据处理系统。此外，每个数据处理系统内的模块的数目可以变化。确定模块204、建模模块206、仿真模块208、比较模块210和校正模块212中的任一个或任意组合可以实现在相同或不同的数据处理系统中。例如，确定模块204、建模模块206和仿真模块208可以实现在一个数据处理系统中，而比较模块210和校正模块212可以实现在另一数据处理系统中。此外，图3所示的模块中的任一个可以与另一模块进行组合以执行组合功能。例如， 可以通过将仿真模块208和建模模块206进行组合来执行仿真和建模功能。参照图4，根据本公开的一个实施例描绘了示例ESD保护过程的流程图。过程400 开始于步骤402 应用至少一个电流脉冲以确定电路的至少一个频率相关和振幅相关传递函数。例如，应用模块202可以应用电流脉冲的集合，并且确定模块204可以基于所应用的电流脉冲的集合来确定至少一个频率相关和振幅相关传递函数。接下来，过程400继续至步骤404 对电路的至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模。例如，建模模块206可以基于传递函数来对电路的至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模。在一个实施例中，至少一个频率相关和电流相关阻抗可以是根据至少一个频率相关和振幅相关传递函数的傅里叶变换的查找表来计算的。在备选实施例中，至少一个频率相关和电流相关阻抗可以是根据分析函数来计算的，该分析函数是根据至少一个频率相关和振幅相关传递函数的傅里叶变换的结果导出的。然后，过程400继续至步骤406 基于来自步骤404的模型来仿真电路的传输。例如，仿真模块208可以通过在由应用模块202应用的增大的电流电平和不同电路参数中的每一个下确定电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量来仿真电路的传输。然后，过程400继续至步骤408 确定电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量是否低于至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值。例如，比较模块210可以将电流相关曲线的集合中的每一个的振幅与给定的电压失效分布进行比较，并通过电路的至少一个元件的耗散功率在频率上的积分来确定电路的至少一个元件的耗散能量。如果电压振幅和耗散能量低于至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值， 则过程400继续至步骤410以调整电路100的至少一个参数并返回至步骤406重新仿真电路的传输。如果电压振幅和耗散能量高于至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值，则过程400终止。总而言之，本公开提供了一种用于ESD保护的方法和系统。本公开提供了一种板级仿真，其表征高电流脉冲下非线性元件的频率相关传输、提取电流相关和频率相关传输系数的模型或者作为再现电流相关传递函数的子电路。然后，执行频域系统级ESD板仿真。该仿真包括应用特定功率谱的脉冲；计算电路的各个线性和非线性元件的频域中的传输；以及通过评定电路的关键位置处的电压和功率谱来检测过载电平。这样，可以全面地检查电路在宽频谱上的健壮性，并且可以实际评定ESD电路的瞬态特性，并且可以执行对电路参数的校正以优化设计。尽管这里示意并描述了具体实施例，但是本领域技术人员应当认识到，在不脱离本发明的范围的前提下，可以利用多种备选和/或等同替换实施方式来替代所示出和描述的具体实施例。本申请意在覆盖这里讨论的具体实施例的改编或变型。因此，本发明旨在仅由权利要求及其等同替换方式限定。
权利要求
1.一种用于ESD保护电路的系统，包括包括至少一个非线性元件的电路；应用模块，被配置为将电流脉冲的集合应用于所述电路；确定模块，被配置为基于所应用的电流脉冲的集合来确定所述电路的至少一个频率相关和振幅相关传递函数；建模模块，被配置为对所述至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模；以及仿真模块，用于基于模型来仿真向所述电路的传输。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括比较模块，被配置为将所述电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量与至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值进行比较。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括校正模块，被配置为基于所述电压振幅和所述耗散能量与所述至少一个电压失效阈值和所述至少一个能量失效阈值的比较来调整所述电路的至少一个参数。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述应用模块被配置为应用具有不同电流电平和预定脉冲长度的至少一个电流脉冲。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述确定模块被配置为作为来自时间相关事件的傅里叶变换以及在每个不同电流电平下传输的波形，导出所述至少一个频率相关和振幅相关传递函数。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述建模模块被配置为基于所述傅里叶变换的结果的查找表来计算至少一个频率相关和电流相关阻抗。
7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述建模模块被配置为基于所述傅里叶变换的结果来导出分析函数；以及使用所述分析函数来计算至少一个频率相关和电流相关阻抗。
8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述至少一个电流脉冲是具有可变脉冲长度的至少一个传输线脉冲。
9.根据权利要求2所述的系统，其中，所述应用模块被配置为应用具有多个增大的电流电平的至少一个电流脉冲和至少一个电路参数。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述仿真模块被配置为在所述多个增大的电流电平中的每一个下确定所述电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量。
11.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个电压失效阈值包括频率范围内的多个电压振幅。
12.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个能量失效阈值包括脉冲持续时间状态中的多个能量电平，在所述脉冲持续时间状态中，所述至少一个能量失效阈值依赖于所应用的电流脉冲的集合的长度。
13.根据权利要求2所述的系统，其中，所述至少一个能量失效阈值包括似稳态中的多个能量电平，在所述似稳态中，所述至少一个能量失效阈值依赖于所应用的电流脉冲的集合的长度。
14.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电路的至少一个元件的电压振幅包括电流相关曲线的集合。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述比较模块被配置为将电流相关曲线的集合中每一个的振幅与给定电压失效分布进行比较。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述给定电压失效分布是至少一个电压失效阈值和电流脉冲的集合中的一个的加权功率谱的乘积。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述仿真模块被配置为基于所述电路的至少一个元件的耗散功率在频率上的积分来确定所述电路的至少一个元件的耗散能量。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述仿真模块被配置为基于所述至少一个电流脉冲的功率谱的积分以及所传输的电流振幅与入射电流振幅之比来确定所述电路的至少一个元件的耗散功率的积分。
19.一种用于提供ESD保护电路的方法，包括应用至少一个电流脉冲以确定电路的至少一个频率相关和振幅相关传递函数；基于所述至少一个频率相关和振幅相关传递函数，对所述电路的至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模；以及基于模型来仿真向所述电路的传输。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括将所述电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量与至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值进行比较。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，应用至少一个电流脉冲包括应用具有不同电流电平和预定脉冲长度的至少一个电流脉冲。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，对所述电路的至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模包括作为来自时间相关事件的傅里叶变换以及在每个不同电流电平下传输的波形，导出所述至少一个频率相关和振幅相关传递函数；以及基于所述傅里叶变换的结果的查找表来计算至少一个频率相关和电流相关阻抗。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，基于模型来仿真向所述电路的传输包括应用具有多个增大的电流电平的至少一个电流脉冲和至少一个电路参数；以及在所述多个增大的电流电平中的每一个下确定所述电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，将所述电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量与至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值进行比较包括将电流相关曲线的集合中的每一个的振幅与给定电压失效分布进行比较；以及通过确定所述电路的至少一个元件的耗散功率在频率上的积分来确定所述电路的至少一个元件的耗散能量。
25.根据权利要求M所述的方法，其中，确定所述电路的至少一个元件的耗散功率在频率上的积分包括确定至少一个电流脉冲的功率谱的积分以及所传输的电流振幅与入射电流振幅之比。
26.根据权利要求M所述的方法，其中，将电流相关曲线的集合中的每一个的振幅与给定电压失效分布进行比较包括确定所述至少一个电压失效阈值和所应用的电流脉冲的集合中的一个的加权功率谱的乘积。
27.根据权利要求20所述的方法，还包括基于所述电压振幅和所述耗散能量与所述至少一个电压失效阈值和所述至少一个能量失效阈值的比较来调整所述电路的至少一个参数。
28.一种包含在有形介质中的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机实现指令，所述计算机实现指令用于确定电路的至少一个频率相关和振幅相关传递函数；基于所述至少一个频率相关和振幅相关传递函数，对所述电路的至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模； 基于模型来仿真向所述电路的传输；以及将所述电路的至少一个元件的电压振幅和耗散能量与至少一个电压失效阈值和至少一个能量失效阈值进行比较。
全文摘要
本发明涉及用于静电放电保护的方法和系统。提供了一种用于ESD保护的方法和系统。在一个实施例中，该系统包括包括至少一个非线性元件的电路；应用模块，被配置为将电流脉冲的集合应用于所述电路；确定模块，被配置为基于所应用的电流脉冲的集合来确定所述电路的至少一个频率相关和振幅相关传递函数；建模模块，被配置为对所述至少一个非线性元件的至少一个频率相关和电流相关阻抗进行建模；以及仿真模块，用于基于模型来仿真向所述电路的传输。
文档编号H02H9/04GK102457056SQ201110331228
公开日2012年5月16日 申请日期2011年10月27日 优先权日2010年10月27日
发明者约翰逊 D., 戈斯纳 H., 索尔德纳 W. 申请人:英飞凌科技股份有限公司