做電源管理相關的應用，想不遇到器件損壞的狀況是不可能的事情，雖然誰都不想這樣。我做電源管理器件的FAE已經有15年時間，遇到這樣的狀況已經不計其數，我的同事們也都如此，常常處于忙碌的狀態。很多客戶在遇到這樣的問題時都會希望得到一份詳細的分析報告，把損壞的樣品送回原廠分析成為很多客戶的第一選擇，但我常常對此表示反對，總是主張要在第一現場就把問題處理掉，但是送廠分析的狀況還是會經常發生，而且有很多的結論都是EOS。這樣的狀況發生多了，自己都會有情緒，難道就不能給點別的理由嗎？為什么總是EOS？這種情緒不僅會在我的身上出現，其他人也會有。

這里說的情緒不是好的情緒，否則也就沒有必要拿來說了。我們厭倦EOS這一結論，只是因為它太標準化了，而且老是出現，但要想知道是為什么，卻又找不到方向，不知道要如何應對，這才出現了厭煩的心理。如果我們一開始就知道它是怎么回事，那么這一結論就能給我們指明方向，知道要如何下手。心里跟明鏡似的，哪里還會有情緒呢？

EOS的定義

EOS是英文Electrical Over Stress的首字母縮寫，其意為電氣過應力 ，意思就是有過高的電壓和/或電流信號加到了受試對象上，它受不了了，被損壞了，所以說“過”了。

EOS的發生和危害

要生成EOS可以有三種方法：高電壓，大電流，高電壓+大電流。

高電壓很容易生成，而且很容易被看到，我們的萬用表、示波器經常都在為我們提供這樣的信息，要測量起來也最方便，因而很容易被感知到。高壓帶來的危害常常是擊穿，因為它在受試物的內部形成了高壓電場，物質分子可以因此而被極化撕裂，然后再形成大電流通路，發熱，甚至燃燒，直至被徹底損毀。

大電流流過物體的時候，常常也伴隨著發熱，因為電阻在一般物質中總是存在的，而I2R的結果就是熱量，它與電流的平方成正比，這世上沒有什么東西是能夠承受無止境的發熱的，所以大電流的危害常常也是很大的。

如果把這兩者在結合在一起，高熱量是自然的結果，危害就不再細說了，說起來都是淚啊！

根據歐姆定律，I=V/R，R通常是負載的特性，電壓是外加的應力，它們的結合才有了電流，它是一個結果，所以，我們關注的重點常常是在電壓上，管好了它，很多問題也就避免了。

電源IC保護自己的方法

當過高的電壓加到IC端子上的時候，它很容易就損壞了，而這種機會又很容易發生，例如靜電放電就會隨時遇到，所以IC都會在大多數對外連接的端子上預設靜電放電單元，如下圖所示：

這是一顆Buck轉換器IC，它的VIN、EN、FB和GND之間以及BOOT和SW端子之間都設計了ESD保護單元，可在這些端子上出現較高的電壓時導通將過高的電壓限制住，避免它們被過高的電壓應力損傷或損壞。

再來看看下面這顆IC，它的型號是RT9746，是一顆過流過壓保護IC，它容許6.2V~14.5V（可選）的電壓經過它通向負載，并在超出時關斷以保護系統不受傷害，并能承受最高達100V的電壓沖擊，這是因為它的輸入端內加入了可以將輸入電壓鉗位在30V的功率TVS。

假如端口上出現了如下圖所示的80V電壓沖擊：

由于有RT9746的存在，這個高壓信號就變成了下面的樣子，對芯片的危害可能性已經大大地降低了。

來看看它的內部框圖，我們可以看到內部TVS的存在，它位于VIN和GND_PTVS端子之間。

如果我們再回到Buck轉換器上，并對型號為RT7285C的器件的VIN和GND之間的ESD保護單元進行測試，我們將可以看到它的鉗位電壓位于25.5V上：

而按照規格書，該器件的推薦工作電壓最高為18V，容許出現在該處的最高電壓為20V，這些參數在規格書中表示如下：

實際上，每個IC端子的ESD保護單元的鉗位電壓都是高于其容許的絕對最高額定電壓的，其間的關系如下圖所示：

在實際工作的時候，一般情況下只能將低于推薦最高工作電壓的電壓施加到端子上，只有在很特殊的狀態下才可以讓電壓高到絕對最高額定電壓處。一旦電壓太高進入ESD元件鉗位保護區，ESD元件就會被觸發，電流就會進入其中并被導入到地，這些能量就不能被正常使用而是被消耗掉了。在電壓更高的地方則是器件的制程和設計容許的極限，是絕對不能被觸及之處，高到那里的電壓將直接將器件擊穿損壞，再也沒有回環的余地了，但是只要還有ESD元件存在，器件的擊穿區就不會被觸及，因為電壓被ESD元件鉗位了，這也正是ESD元件存在的意義。

ESD電路模型和ESD過程

ESD是Electro-Static Discharge的首字母縮寫，意為靜電放電。靜電的出現非常容易，它們常常積聚在物體的表面，這樣的表面與相對電極之間的電容極小，因而形成很高的電壓。一旦有機會形成回路，這些靜電荷就會移動以實現電中和，其放電過程會非常快速，因而可以在瞬間釋放出大量的能量。用于模擬這樣的靜電放電過程的最常用模型是人體模型，它是先將一個100pF的電容充電至某個電壓如2kV，然后再通過串聯一只1.5kΩ的電阻對受試元件進行放電，以此檢查該器件是否能在這樣的環境下生存下來，其電路模型和實驗中的放電過程如下圖所示：

圖中的DUT即為受試元件，其中的ESD Cell即是我們上文所說的ESD單元，它起著泄放來自電容C1中的電能的任務。

對于2kV的靜電測試來說，電容中儲存的電荷總量約為0.2μC。假如受試元件中的ESD單元的鉗位電壓為27V，電荷釋放過程在此單元中留下的能量約為27V x 0.2μC =5.4μJ，它們將在ESD單元中轉化為熱量并使其溫度上升。很顯然，器件的封裝將起到熱均衡的作用，此放電過程生成的熱量將通過封裝傳播到周圍環境中，并最終穩定在某個程度上。

EOS的發生

假如上述的ESD現象呈現為更高的電壓、更大的電容、更高的鉗位電壓，我們將發現最終落在ESD單元上的能量將更大，使得器件的封裝根本來不及將太多的熱量散發出去，ESD單元將因過高的溫度而損毀，這就構成了EOS事件，與上述的試驗并無本質的差異，僅僅是量變帶來了質變而已。

EOS現象的演示實驗

在上文的測試RT7285C VIN端ESD單元的鉗位電壓的實驗中，我們可以看到鉗位電壓位于25.5V處，流過的電流則被限制在100μA x 10 = 1mA以內，由于電流很小，最大的功耗只有25.5mW，器件是安全的。下面的演示將電流限制增加，器件就將變得不再安全了。

當電流限制為40mA時，ESD單元進入了鉗位狀態，但還沒有失效；當電流限制被進一步放大以后，器件就失效了，這種失效是無法挽回的。

這些測試都是在Curve Tracer也就是測量電壓、電流關系的圖示儀上進行的，有的人可能不習慣，下面我們用示波器來看看。

熱量的累積和釋放是需要時間的，所以我們可以用可變的電流脈沖寬度來看ESD單元的承受能力，這樣就有了下面的測試方法：

當可變寬度的脈沖信號被施加到Q2的基極時，Q1將輸出與之對應的電流脈沖，連接在受試元件上的示波器將記錄下ESD單元上流過的電流和形成的電壓。當ESD單元因過多的熱量累積而損壞時，測得的電流將增加而電壓將下降，這就表示ESD單元已經損壞了。

這個圖表示的是持續時間為7μs的197mA電流脈沖流過ESD單元，它安然無恙。

這兩幅圖顯示的是持續時間為6.2μs的268mA電流脈沖和持續時間為11.1μs的175mA電流脈沖使ESD單元被擊穿損壞了。

這樣的三組數據告訴我們的是這樣一個事實，造成損壞的原因不是電流的大小，是電流的時間累積，而電壓一直都沒有變化。

如果我們將波形在時間上展開來看，將看到被擊穿以后的ESD單元只有很低的電壓可以呈現：

如上圖，擊穿以后的電壓大約為3V。如果這樣的器件在電路中被損壞，那就意味著將有大電流流過它，最后會發生什么危險就很難判定了。

EOS發生以后的器件是什么樣子呢？看看下圖大概能發現一些端倪：

從放大以后的圖形上可以看到，ESD單元所在的地方出現了高溫灼燒后的痕跡，與之鄰近的上橋MOSFET開關區域也出現了損傷。總體來說，這算是很小的傷害，因為這是在受控的條件下發生的，實際運行中出現的傷害可能就是多種多樣的了，有的會慘不忍睹，不信的就來欣賞一下下面這幅圖吧：

當原廠的工程師拿到這樣的東西的時候，解剖的結果通常也就是如此，他能看出來是受到EOS攻擊了，但卻很難看出這個EOS是如何發生的，于是乎事情又要回到原點，我們需要在現場去探索到底發生了什么，這就是很多FAE在做的事情，也是作為一個應用工程師需要去研究的。