隨著更新的集成電路（IC）技術(shù)采用更小的幾何尺寸和更低的工作電壓，不斷更新?lián)Q代的便攜產(chǎn)品對靜電放電（ESD）電壓損害越來越敏感。有鑒于此，手機、MP3播放器和數(shù)碼相機等便攜產(chǎn)品的設(shè)計人員必須評估各種可供選擇的ESD保護解決方案，確保他們所選擇的解決方案能滿足當(dāng)今IC不斷變化的需求。怎么樣選擇有效的ESD保護解決方案呢？
什么是ESD保護？
ESD是Electro-Static discharge的縮寫，即“靜電釋放”。本文介紹以下內(nèi)容：ESD的產(chǎn)生的三種形式；什么是靜電；靜電的產(chǎn)生原因；什么是ESD（靜電放電）；ESD對電子設(shè)備的影響……
ESD是代表英文ElectroStatic Discharge即‘靜電放電’的意思。ESD是本世紀中期以來形成的以研究靜電的產(chǎn)生與衰減、靜電放電模型、靜電放電效應(yīng)如電流熱（火花）效應(yīng)（如靜電引起的著火與爆炸）及和電磁效應(yīng)（如電磁干擾）等的學(xué)科。近年來隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展、微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用及電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，對靜電放電的電磁場效應(yīng)如電磁干擾（EMI）及電磁兼容性（EMC）問題越來越重視。
從近期的設(shè)計趨勢的ESD所需考慮因素
ESD 保護器件的目的是把數(shù)千伏電壓的ESD輸入電壓降低到所保護的IC所能承受的安全電壓，并能把電流從IC旁路。雖然所需ESD波形的輸入電壓和電流在過去 的幾年沒有出現(xiàn)變化，但要求保護IC的安全電壓電平卻降低了。過去，IC設(shè)計對于（防范）ESD而言更具強固性，而且能夠承受更高電壓，因此，在選擇能符 合IEC61000-4-2第4級的要求的保護二極管時有充分的選擇余地。而對于如今ESD更敏感的IC，設(shè)計工程師就必須不僅要確保保護器件能夠符合 IEC61000-4-2第4級標(biāo)準，而且還要確保該器件能夠?qū)SD脈沖鉗制到足夠低的電平，從而確保IC不受損壞。在為給定的應(yīng)用選擇最佳保護器件的 時候，設(shè)計工程師必須要考慮到ESD保護器件能夠把ESD電壓控制到多么低的電平。
如何選擇最有效的保護方案
保護二極管的關(guān)鍵直流（DC）規(guī)范是擊穿電壓、漏電壓和電容。大部分數(shù)據(jù)表也會說明IEC61000-4-2的最大額定電壓，該電壓指的是二極管在該電壓上 不會被ESD沖擊損壞。所存在的問題是，大部分數(shù)據(jù)表中沒有任何針對象ESD這樣的高頻率、高瞬態(tài)電流的鉗位電壓方面的信息?？墒且敿氄f明，要在 IEC61000-4-2規(guī)范中硬性規(guī)定鉗位電壓不是一件簡單的事情，這是因為該規(guī)范的初衷是用來檢驗系統(tǒng)是否合格，并且頻率是如此高。要把這種規(guī)范來檢 驗保護器件，關(guān)鍵的是不僅要檢查保護二極管是否合格/不合格，還要檢查它能把ESD電壓鉗位到多么低的電平。
比較保護二極管鉗位電壓的最好途徑是采用一臺示波器截取保護二極管兩端在ESD產(chǎn)生期間內(nèi)的實際電壓波形。
幾種保護二極管的比較
為了進行公平的比較，所選元器件應(yīng)當(dāng)有相似的封裝尺寸和參數(shù)指標(biāo)。用來比較的是三 只ESD保護二極管，當(dāng)對它們的電特性進行比較時，認為這些器件可以彼此互換。這些器件都是雙向的ESD保護器件，具有同樣的擊穿電壓（6.8 V）、電容（15 pf）和封裝外形（1.0 × 0.6 × 0.4 mm）。這里所選擇的產(chǎn)品分別是競爭對手1的RSB6.8CS、競爭對手2的PG05DBTFC和安森美半導(dǎo)體的ESD9B5.0ST5G。
當(dāng) 對以上器件的DC性能進行比較的時候，結(jié)果看起來似乎是相同的（參見圖2所示曲線）。此外，它們都聲稱符合IEC61000-4-2第4級標(biāo)準，這就意味 著它們將都經(jīng)受住高達8 kV接觸電壓的ESD沖擊。確保保護敏感IC的ESD保護器件至關(guān)重要的性能不是DC性能; 盡管器件符合IEC61000-4-2的第4級標(biāo)準是重要，但更重要的是保護IC。為確保在ESD事件期間IC沒有被損壞，保護二極管必須把ESD電壓鉗 位至足夠低的值，使IC不會損壞。
為了比較每個器件的鉗位性能，利用示波器來截取ESD發(fā)生期間的電壓波形。利用完全相同的測試條件，對上述器件進行并排測試。圖3中顯示出每個二極管對正/負ESD脈沖的響應(yīng)曲線。所用的輸入脈沖為IEC61000-4-2第4級的標(biāo)準接觸電壓（8 kV）。
從 圖3所示的屏幕圖上可見，顯然，與兩個競爭對手的器件（藍色波形）相比較，安森美半導(dǎo)體保護解決方案（黑色波形）提供更低的ESD脈沖鉗位電壓。與競爭對 手2的18 V和競爭對手1的23 V相比較，安森美半導(dǎo)體的器件將正脈沖鉗位在14 V。而在負脈沖期間，這三個器件之間鉗位電壓的差異更加明顯。安森美半導(dǎo)體、競爭對手2和競爭對手1的器件對負脈沖的鉗位電壓分別是20 V、34 V和42 V。在負ESD脈沖期間這三種器件之間有明顯的區(qū)別，競爭對手2的器件的鉗位電壓比安森美半導(dǎo)體的器件高70%，而競爭對手1的器件的鉗位電壓則是安森美 半導(dǎo)體器件的兩倍之多。通過競爭對手的保護器件后的剩余負脈沖電壓對那些更容易受到ESD破壞的新IC設(shè)計有潛在的危險。然而，安森美半導(dǎo)體的器件卻能在 負脈沖和正脈沖兩個方向上保持低的鉗位電壓，從而將遭受正/負ESD脈沖的破壞風(fēng)險都保持在最低水平。
好的保護器件需要對 正/負ESD脈沖都能進行很好的鉗位，以保證終端產(chǎn)品在實際條件下具有最高的可靠性。在正/負兩個方向上的低鉗位電壓確保保護器件能保護極敏感的IC，這 使得設(shè)計工程師能利用可以實現(xiàn)更多功能和更高速度的最新IC技術(shù)。由于認識到在選擇ESD保護器件時鉗位電壓的重要性日益提高，很多提供保護器件的公司在 他們最新ESD保護器件的數(shù)據(jù)表中提供了類似圖3中的ESD鉗位屏幕截圖。
ESD靜電保護元件分析
任何保護元件在正常工作期間必須作為高阻抗電路出現(xiàn)在受保護的輸入端。它所施加的電容負載必須盡可能的小，使得對正常的輸入信號幾乎沒有影響。然而， 在過壓的瞬間，同一器件必須成為能量的主要通路，把能量從被保護器件的輸入端轉(zhuǎn)移出去。此外，保護器件的安全（standing-off）電壓必須高于受保護端所允許的最大信號電壓。同樣，其箝位電壓必須低到足以防止所保護的器件遭受損壞，這是由于在瞬態(tài)發(fā)生期間，輸入端上的電壓將是保護器件的箝位電壓。
我們常常會看到介紹ESD靜電保護器、ESD靜電阻抗器、ESD靜電釋放器、貼片壓敏電阻等產(chǎn)品，但其實保護器件最關(guān)鍵的參考系數(shù)應(yīng)該是下面三項：
1. 快速響應(yīng)時間
2. 低箝位電壓
3. 高電流浪涌承受能力
無論產(chǎn)品被介紹得多么優(yōu)異，在選擇ESD靜電保護元件時，仍應(yīng)該細致地做好實際的對比，以及運用IEC61000-4-2測試來做驗證。目前行業(yè)慣例是根據(jù)8us上升時間和20us持續(xù)時間的脈沖公布箝位電壓的，而真正的ESD脈沖應(yīng)該是1ns上升時間和60ns的持續(xù)時間。