如何進(jìn)行高速電路ESD保護(hù)

靜電放電（ESD）會(huì)對(duì)電子環(huán)境造成毀滅性的后果。事實(shí)上，在各種電路的電路封裝和組裝中，超過(guò)25%的半導(dǎo)體芯片損壞歸因于所使用的大型電子設(shè)備中的ESD。

通常，人體一部分（手指）的放電將帶不同的材料，然后轉(zhuǎn)移到連接到電子設(shè)備的導(dǎo)電觸點(diǎn)。這將導(dǎo)致IC損壞，并有理由指責(zé)最終用戶設(shè)備制造商。

這個(gè)問(wèn)題非常嚴(yán)重，以至于歐盟為在經(jīng)濟(jì)區(qū)銷售的任何商品制定了特殊的ESD抑制標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在必須為當(dāng)今更敏感的半導(dǎo)體提供有效的ESD保護(hù)。

不幸的是，這項(xiàng)任務(wù)通常遵循事后諸葛亮的設(shè)計(jì)原則：首先，構(gòu)建一個(gè)沒有額外過(guò)壓抑制瞬變的電路，并依靠板載IC進(jìn)行保護(hù)。如果測(cè)試可以顯示原型臺(tái)的靈敏度，則添加保護(hù)裝置。如果采用這種方法來(lái)滿足當(dāng)今更低的放大電壓、更高的頻率和更低的噪聲要求，那么整個(gè)設(shè)計(jì)必須是優(yōu)化和集成的。由于時(shí)間限制，最終增加保護(hù)可能非常昂貴或不切實(shí)際。

通常，ESD事件由三種主要的ESD算法描述，基于充電過(guò)程的類型和瞬態(tài)電泳的嚴(yán)重程度：人體模型（HBM），充電設(shè)備模型（CDM）和機(jī)器模型（MM）。這些模型定義了瞬態(tài)效應(yīng)的類型，因此設(shè)計(jì)人員可以定義半導(dǎo)體過(guò)壓芯片的清晰瞬態(tài)靈敏度，以及芯片和組裝產(chǎn)品的測(cè)試程序。使用這些模型，電路設(shè)計(jì)人員可以測(cè)試芯片是否具有與產(chǎn)品相同的ESD保護(hù)效率，并且可以與替代方案進(jìn)行定量比較。

電荷的轉(zhuǎn)移直接通過(guò)一系列電阻器，就像人的手指一樣，是ESD損壞的最常見原因。因此，優(yōu)秀的ESD模型是HBM。在測(cè)試期間，被測(cè)器件（DUT）由一個(gè)100pF電容表示，該電容通過(guò)1500Ω電阻放電到器件中。該標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)版本是軍用規(guī)范883方法3015（圖2a）。

最流行的HBM變體是國(guó)際電工委員會(huì)IEC1000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，定義為通過(guò)150Ω電阻放電的330pF電容器。（圖2b）這是歐盟在其地區(qū)銷售商品所必需的國(guó)際測(cè)試。

然而，兩種模型都存在明顯的瞬時(shí)電壓威脅和能級(jí)差異。然后，設(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)他們正在尋找的特定應(yīng)用調(diào)整測(cè)試過(guò)程。例如，IEC1000-4-2具有非?？斓碾娖矫}沖上升時(shí)間，允許更多的脈沖和更高的峰值電流（見表2）。

最近，電路設(shè)計(jì)人員通過(guò)許多瞬時(shí)電壓抑制器（TVS）器件增加了保護(hù)。一些示例包括固態(tài)器件（二極管）、金屬氧化物壓敏電阻 （MOV）、可控硅整流器、其他可變電壓材料（新型聚合物器件）、氣管和簡(jiǎn)單的火花隙。

此類器件放置在輸入和接地之間。當(dāng)輸入電壓達(dá)到導(dǎo)致它們“打開”或打開的電平時(shí)，它們可以快速降低阻抗。理想情況下，輸入威脅部分反射回來(lái)，平衡部分通過(guò)導(dǎo)電TVS設(shè)備轉(zhuǎn)移到地面。因此，電路中只有一小部分威脅可以到達(dá)敏感IC。

然而，ESD抑制器件也有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，隨著新一代高速電路的出現(xiàn)，一些缺點(diǎn)被放大了。例如，TVS必須快速響應(yīng)輸入的浪涌電壓。當(dāng)浪涌電壓在8.0 ns時(shí)達(dá)到7 kV（或更高）的峰值時(shí)，TVS器件觸發(fā)或調(diào)整電壓（與輸入線平行）必須足夠低，以充當(dāng)有效的分壓器。

一些保護(hù)裝置僅在幾個(gè)電流脈沖和/或落入低電阻（短路）條件后老化，從而產(chǎn)生從電路到地的大載流路徑。這對(duì)電池供電的設(shè)備來(lái)說(shuō)是致命的。

每個(gè)設(shè)備都有自己的差異。氣體放電管可以通過(guò)大電流，但響應(yīng)速度很慢。它們也會(huì)老化，無(wú)法恢復(fù)。MOV可以為高速電路提供相對(duì)較慢的開機(jī)響應(yīng)。硅二極管觸發(fā)非?？旌偷蛯?dǎo)通狀態(tài)電壓，但它們具有與MOVS和其他器件相同的高電容，影響高速信號(hào)。

頻率越高，電容效應(yīng)越大。新型ESD變壓器是目前唯一具有極低電容和極低關(guān)斷漏電流的變壓器。此外，它們?cè)诙啻蚊}沖后恢復(fù)自我。

現(xiàn)在考慮成本因素。設(shè)計(jì)工程師盡可能降低非主要組件的成本。由于供過(guò)于求，二極管的價(jià)格一直很低。一些新的高頻聚合物器件在價(jià)格上也非常具有競(jìng)爭(zhēng)力。

過(guò)去，幾個(gè)主要的設(shè)計(jì)考慮因素簡(jiǎn)化了ESD抑制器問(wèn)題。工作電壓更高，更慢，更堅(jiān)固的IC對(duì)浪涌電壓不太敏感。較低的工作頻率也意味著較低的保護(hù)速度。同時(shí)，具有更高阻抗和引腳元件的電路、更多的金屬封裝和更少的外部節(jié)點(diǎn)使事情變得更加容易。

但電子行業(yè)已經(jīng)發(fā)生了變化。消費(fèi)電子行業(yè)在爆發(fā)式發(fā)展中，出現(xiàn)了更多的手持設(shè)備。該器件的工作頻率已從幾kHz上升到GHz，導(dǎo)致ESD保護(hù)中使用的高容量無(wú)源元件出現(xiàn)設(shè)計(jì)失真問(wèn)題。此外，芯片的工作電壓正在降低，有助于大大提高對(duì)任何高能量瞬變（固定節(jié)點(diǎn)的加熱/解凍）的靈敏度。同時(shí)，新的高頻數(shù)字器件需要非常低的關(guān)斷漏電流來(lái)降低噪聲。

在低成本生產(chǎn)環(huán)境中，降低成本是所有電路元件的主要目標(biāo)。因此，有效的ESD抑制器應(yīng)為設(shè)計(jì)工程師提供以下主要優(yōu)勢(shì)和特性（不一定按重要性排序）：

成本效益;

在不犧牲性能的情況下保護(hù)新的消費(fèi)電子音頻和視頻I / O線路和RF連接端口;

保護(hù)新的通信鏈路硬件

在很寬的工作頻率范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的器件特性;

低于1pF的電容器用于工作頻率為幾GHz的超寬帶電路;

漏電流處于關(guān)斷狀態(tài)最小，以降低噪聲;

減少ESD抑制元件引起的工作電路信號(hào)失真和衰減;

為了提供有效的保護(hù)，觸發(fā)和箝位特性要符合電路器件的要求;

具有所需的裝配功能，外形尺寸和PCB封裝，易于在高速自動(dòng)化裝配線上使用;

在各種可選器件中，最好在不改變電路板的情況下具有很高的互換性;

產(chǎn)品使用壽命期間可靠性高。

無(wú)論選擇哪種TVS器件，它們?cè)陔娐钒迳系奈恢枚己苤匾?。TVS布局前的導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)最小化，因?yàn)榭焖伲?.7 ns）ESD脈沖可能會(huì)產(chǎn)生額外的電壓，從而導(dǎo)致TVS保護(hù)惡化。

TVS的特點(diǎn)：快速響應(yīng)（對(duì)于ns級(jí)別）;浪涌承受能力比放電管和壓敏電阻強(qiáng)，10/1000μs波脈沖功率從400W~30KW，脈沖峰值電流從0.52A~544A;擊穿電壓從6.8V~550V系列值，便于使用各種不同的電壓電路。

此外，快速ESD脈沖可能會(huì)在電路板上的相鄰（并聯(lián)）導(dǎo)體之間感應(yīng)出感應(yīng)電壓。如果發(fā)生這種情況，它將不受保護(hù)，因?yàn)楦袘?yīng)電壓路徑將是浪涌到達(dá)IC的另一條路徑。因此，受保護(hù)的輸入行不應(yīng)放置在其他單獨(dú)的、不受保護(hù)的跡線旁邊。推薦的ESD抑制器件PCB布局應(yīng)為：在將被保護(hù)的IC放置在盡可能靠近連接器/接觸PCB側(cè)之前，在與信號(hào)線串聯(lián)的任何電阻之前，在包含保險(xiǎn)絲的區(qū)域過(guò)濾或調(diào)整器件之前，以及其他可能有ESD的地方。

隨著業(yè)界對(duì)在高頻電路中采用ESD抑制越來(lái)越感興趣，人們已經(jīng)研究了消費(fèi)電子產(chǎn)品中的一些大型器件。比較數(shù)據(jù)顯示，盡管低成本硅二極管（甚至變阻器）的觸發(fā)/箝位電壓非常低，但它們的高頻容量和漏電流并不能滿足不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用需求。

另一個(gè)重要要求是ESD抑制器對(duì)電路信號(hào)特性的影響最小。聚合物ESD抑制器的測(cè)量顯示，在高達(dá)0 GHz的頻率下，衰減小于2.6 dB，因此它們對(duì)電路幾乎沒有影響。

此外，商業(yè)產(chǎn)品在所有不同的硬件接口位置都需要ESD浪涌保護(hù)。例如，一些較新的計(jì)算機(jī)和高端消費(fèi)電子產(chǎn)品可能包括大部分或全部這些互連，如下所示：以太網(wǎng)、USB1.1/USB2.0、IEEE-1394/1394b、音頻/視頻/射頻，以及傳統(tǒng)RS-232、RJ-11等端口音頻/視頻/射頻端口。所有傳統(tǒng)的保護(hù)裝置都得到了不同程度的成功應(yīng)用。然而，當(dāng)今不斷提高的工作頻率為聚合物抑制器等超低電容器件奠定了基礎(chǔ)。

USB 2.0 協(xié)議具有 00 Mbps 的快速數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，配備 USB 2.0 功能的設(shè)備在采用 SurgX 技術(shù)的超低電容聚合物器件的保護(hù)下將具有最佳性能（圖 3b）。與使用齊納二極管或多層壓敏電阻相比，這將產(chǎn)生更少的數(shù)據(jù)失真。

此外，許多新的消費(fèi)電子設(shè)備執(zhí)行快速的IEEE-1394 / 1394b（Fireware）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議。這種非常高的數(shù)據(jù)速率（1600 Mbps，1394b）需要低電容ESD抑制器，例如聚合物浪涌器件。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，聚合物 ESD 抑制器產(chǎn)生的信號(hào)失真比硅二極管器件保護(hù) Firewire 端口的信號(hào)失真更少（圖 4a）。