AN149 - 风扇驱动器 ESD 防护增强解决方案
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摘要
本应用说明介绍了两种不同的静电放电 (ESD) 模型，人体模型 (HBM) 和系统级 ESD (IEC61000-4-2)。根据两种模型之间的差异，MPS提供了一些额外的解决方案来增强ESD防护能力，以在系统级ESD中实现风扇的保护。
简介
静电可以在人体、机器、设备甚至IC自身中积累，其电压极高，甚至可达几千伏。当发生静电放电时，如果没有适当的 ESD 保护，高电压或大放电电流可能使 IC产生过电应力（Electrical Over Stress，EOS）。
人体模型 (HBM) ESD
由于摩擦或其他原因，静电会在人体中累积。当人体接触到IC时，这些静电会释放至IC的对地引脚，并在数百纳秒内产生数安培的放电电流。这些电流将有可能损坏 IC。
图 1：静电放电
依据JESD22-A114-B标准，HBM ESD可以通过下面的电路来表示：
图 2：典型等效 HBM ESD 电路
当开关S1处于A档时，有效电容（人体等效电容）由高压源充电；当开关S1处于B档时，高电压通过1.5kΩ电阻（人体等效电阻）放电至DUT（被测器件）。
等效 HBM ESD 电路中的HBM 峰值电流如下所示：
| 电压(kV) | 峰值电流(A) |
| ±0.5 | ±0.33 |
| ±1 | ±0.67 |
| ±2 | ±1.33 |
| ±4 | ±2.67 |
| ±8 | ±5.33 |
表 1：HBM ESD 的峰值放电电流
由于静电电压很大，放电电流也很大，所以在IC中需要集成ESD zap电路，以防止IC因ESD而损坏。其峰值电压被ESD zap 电路钳位，放电电流则通过 zap 电路。
图 3：ESD zap电路
系统级 ESD (IEC61000-4-2)
有些风扇产品需要遵照IEC61000-4-2标准通过系统级ESD测试。测试方法包括两种，空气放电和接触放电。除非无法进行接触放电测试，否则接触放电是系统级ESD测试的首选。接触放电的等级及测试电压如表2所示。
表 2 ESD 电压和等级
| 接触放电 | 空气放电 | ||
| 等级 | 电压（kV） | 等级 | 电压（kV） |
| 1 | ±2 | 1 | ±2 |
| 2 | ±4 | 2 | ±4 |
| 3 | ±6 | 3 | ±8 |
| 4 | ±8 | 4 | ±15 |
IEC61000-4-2标准设定的等效电路如图4所示。
与HBM相比，IEC的放电电容大于人体有效电容，但放电电阻要小得多。因此，系统级ESD的峰值放电电流几乎是HBM的5倍。为了通过 IEC61000-4-2 系统级 ESD测试，可能需要外部电路来增强 ESD 防护能力。
系统级ESD防护推荐电路
四线风扇是常见的风扇产品。其四个端子分别为VIN、GND、FG和PWM，需分别进行以下ESD测试：
- 在VIN和GND之间进行ESD测试，接触放电
- 在PWM和GND之间进行ESD测试，接触放电
- 在FG和GND之间进行ESD测试，接触放电
- ...
以MP6517B典型应用电路（图5）为例。由于其输入电容较大，因此VIN 端子不存在 ESD 风险。但FG和PWM端子没有大输入电容，为防止ESD风险，建议客户添加外部ESD保护电路。
以下两种推荐解决方案可用于通过系统级 ESD测试：
- 如下图所示，在FG和PWM端子上添加TVS。TVS对施加在FG和PWM端子上的电压进行钳位，可以防止FG/RD引脚和PWM引脚被ESD静电损坏。建议在每个端子上都添加采用 SOD-123 封装的 13V TVS。
- 2. 如果客户可以使用齐纳二极管和电阻，则如图7所示，建议每个端子都添加一个15V齐纳二极管和一个0603电阻。
图 6：添加TVS 的 ESD 解决方案
图 7：添加齐纳二极管和电阻的 ESD 解决方案
测试结果如表3所示。
表3：不同解决方案的测试结果比较
| 产品型号 | 封装 | ESD 测试结果 | |
| TVS 解决方案 | SMF13A | SOD123-FL | >=8kV |
|
齐纳二极管+电阻解决方案 |
MM5Z15VT1G | SOD523 | >=8kV |
| BZT52C15 | SOD123 | 6kV |
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