完整ESD及EMI保護(hù)方案

作者：時(shí)間：2012-03-11 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

對(duì)于電子產(chǎn)品而言，保護(hù)電路是為了防止電路中的關(guān)鍵敏感型器件受到過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱等沖擊的損害。保護(hù)電路的優(yōu)劣對(duì)電子產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命至關(guān)重要。隨著消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品需求的持續(xù)增長(zhǎng)，更要求有強(qiáng)固的靜電放電(ESD)保護(hù)，同時(shí)還要減少不必要的電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)噪聲。此外，消費(fèi)者希望最新款的消費(fèi)電子產(chǎn)品可以用小尺寸設(shè)備滿(mǎn)足越來(lái)越高的下載和帶寬能力。隨著設(shè)備的越來(lái)越小和融入性能的不斷增加，ESD以及許多情況下的EMI/RFI抑制已無(wú)法涵蓋在驅(qū)動(dòng)所需接口的新一代IC當(dāng)中。

另外，先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)設(shè)計(jì)都是采用幾何尺寸很小的工藝制造的。為了優(yōu)化功能和芯片尺寸，IC設(shè)計(jì)人員一直在不斷減少其設(shè)計(jì)的功能的最小尺寸。IC尺寸的縮小導(dǎo)致器件更容易受到ESD電壓的損害。

過(guò)去，設(shè)計(jì)人員只要選擇符合IEC61000-4-2規(guī)范的一個(gè)保護(hù)產(chǎn)品就足夠了。因此，大多數(shù)保護(hù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表只包括符合評(píng)級(jí)要求。由于集成電路變得越來(lái)越敏感，較新的設(shè)計(jì)都有保護(hù)元件來(lái)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)，但ESD沖擊仍會(huì)形成過(guò)高的電壓，有可能損壞IC。因此，設(shè)計(jì)人員必須選擇一個(gè)或幾個(gè)保護(hù)產(chǎn)品，不僅要符合ESD脈沖要求，而且也可以將ESD沖擊鉗位到足夠低的電壓，以確保IC得到保護(hù)。

圖1：美國(guó)靜電放電協(xié)會(huì)(ESDA)的ESD保護(hù)要求

先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大ESD保護(hù)

安森美半導(dǎo)體的ESD鉗位性能備受業(yè)界推崇，鉗位性能可從幾種方法觀察和量化。使用幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工具即可測(cè)量獨(dú)立ESD保護(hù)器件或集成器件的ESD鉗位能力，包括ESD保護(hù)功能。第一個(gè)工具是ESD IEC61000-4-2 ESD脈沖響應(yīng)截圖，顯示的是隨時(shí)間推移的鉗位電壓響應(yīng)，可以看出ESD事件中下游器件的情形。

圖2：ESD鉗鉗位截圖

除了ESD鉗位屏幕截圖，另一種方法是測(cè)量傳輸線路脈沖(TLP)來(lái)評(píng)估ESD鉗位性能。由于ESD事件是一個(gè)很短的瞬態(tài)脈沖，TLP可以測(cè)量電流與電壓(I-V)數(shù)據(jù)，其中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是從短方脈沖獲得的。TLP I-V曲線和參數(shù)可以用來(lái)比較不同TVS器件的屬性，也可用于預(yù)測(cè)電路的ESD鉗位性能。

圖3：典型TLP I-V曲線圖

安森美半導(dǎo)體提供的高速接口ESD保護(hù)保護(hù)器件陣容有兩種類(lèi)型。第一類(lèi)最容易實(shí)現(xiàn)，被稱(chēng)為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)保護(hù)。在這種類(lèi)型設(shè)計(jì)中，信號(hào)線在器件下運(yùn)行。這些器件通常是電容最低的產(chǎn)品。

另一類(lèi)是采用PicoGuard? XS技術(shù)的產(chǎn)品。這種類(lèi)型設(shè)計(jì)使用阻抗匹配(Impedance Matched)電路，可保證100 Ω的阻抗，相當(dāng)于電容為零。這類(lèi)設(shè)計(jì)無(wú)需并聯(lián)電感，有助于最大限度地減少封裝引起的ESD電壓尖峰。

圖4：傳統(tǒng)方法與PicoGuard? XS設(shè)計(jì)方法的對(duì)比

安森美半導(dǎo)體的保護(hù)和濾波解決方案均基于傳統(tǒng)硅芯片工藝技術(shù)。相比之下，其它類(lèi)型的低成本無(wú)源解決方案使用的是陶瓷、鐵氧體和多層壓敏電阻(MLV)組合的材料。這類(lèi)器件通常ESD鉗位性能較差。在某些情況下，傳遞給下游器件的能量可能比安森美半導(dǎo)體解決方案低一個(gè)量級(jí)。一些采用舊有技術(shù)的產(chǎn)品甚至可能在小量ESD沖擊后出現(xiàn)劣化并變得更糟。由于其材料性質(zhì)，一些無(wú)源器件往往表現(xiàn)出溫度的不一致性，從而降低了終端系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)溫度和環(huán)境溫度范圍內(nèi)運(yùn)行的可靠性。

必須兼顧其它特性

ESD和EMI解決方案可防止不要的信號(hào)干擾系統(tǒng)的整體性能。在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，保護(hù)器件還必須保持給定接口良好的信號(hào)完整性，換言之它應(yīng)該是完全“透明”的。安森美半導(dǎo)體的器件適用于運(yùn)行和保護(hù)當(dāng)今最常用的消費(fèi)類(lèi)電子系統(tǒng)接口。通常，使用S參數(shù)插入損耗曲線即可測(cè)量信號(hào)完整性的影響，濾波器解決方案還可以測(cè)量濾波器的響應(yīng)情況，也可以用眼圖測(cè)量信號(hào)完整性(尤其是高速器件)，以證明在無(wú)干擾正常運(yùn)行期間器件可實(shí)現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率。

安森美半導(dǎo)體有兩個(gè)基本類(lèi)型的EMI濾波器。第一類(lèi)是用于并行接口的各種陣列配置的單端低通濾波器；分為傳統(tǒng)和通用電阻-電容(RC)版本，以及適用于高速度和功耗敏感接口的電感-電容(LC)版本。

圖5：?jiǎn)味说屯V波器特性

根據(jù)規(guī)格，每個(gè)元件都有一個(gè)通帶范圍。這些器件的可截止高頻范圍從700 MHz至6 GHz。

第二類(lèi)EMI濾波器適用于高速串行接口，功能超過(guò)了典型低通濾波器。這類(lèi)接口是具有固有噪聲抑制的差分信號(hào)路徑，但不會(huì)完全免疫來(lái)自外部源的共模噪聲，或阻止來(lái)自輻射到系統(tǒng)其他部分的接口信號(hào)。

圖6：共模濾波器(CMF)特性

受保護(hù)的共模濾波器(pCMF)可以用來(lái)消除不必要的共模噪聲，也可以防止輻射的有害共模噪聲信號(hào)從高速接口進(jìn)入系統(tǒng)的其它部分。同時(shí)，它還可以使高速數(shù)據(jù)通道幾乎不受干擾。

除了ESD沖擊保護(hù)，安森美半導(dǎo)體還提供防止由雷擊或功率交叉(power-cross)故障造成浪涌沖擊的解決方案。各種消費(fèi)電子和電信/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的通用接口都是符合10/100BASE-T和1000BASE-T以太網(wǎng)協(xié)議的RJ45接口，其浪涌額定值往往是室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。這些接口由四對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線組成，每根線可傳輸最高250 Mbps的數(shù)據(jù)速率。這類(lèi)接口的保護(hù)需要確保橫向(金屬性)浪涌沖擊不致?lián)p壞敏感的下游芯片（如物理層）。這是通過(guò)線至線(每對(duì)線)連接分流保護(hù)元件(shunt protection element)來(lái)轉(zhuǎn)移進(jìn)入的浪涌能量實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于較低數(shù)據(jù)速率(10/100BASE-T)的應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體提供了一種稱(chēng)為T(mén)SPD(晶閘管浪涌保護(hù)器件)的消弧(crowbar)器件組合，以及用于類(lèi)似ESD保護(hù)的鉗位器件。TSPD可提供低鉗位電壓的優(yōu)勢(shì)，并具有較高的浪涌電流能力。例如，這些器件可以滿(mǎn)足GR-1089 10/1000 μs標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此適合初級(jí)端或次級(jí)端的保護(hù)，也被稱(chēng)為“線端”保護(hù)。TVS(瞬態(tài)抑制二極管)鉗位器件支持8/20 μs脈沖的浪涌級(jí)別，通常用于第三級(jí)(tertiary)或PHY側(cè)以捕獲并安全地消除任何殘余浪涌脈沖。

典型電路保護(hù)應(yīng)用示例

智能手機(jī)應(yīng)用是一種比較典型的保護(hù)應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體的解決方案包括數(shù)據(jù)濾波器、ESD保護(hù)二極管及陣列和電壓保護(hù)器件等。消費(fèi)和便攜式應(yīng)用的USB2.0保護(hù)包括高速對(duì)、VCC和低電容ESD保護(hù)；而USB 3.0則有兩個(gè)超高速對(duì)和一個(gè)高速對(duì)，以及VCC、低電容ESD保護(hù)。eSATA接口有兩個(gè)高速對(duì)和低電容ESD保護(hù)。

圖7：智能手機(jī)框圖及需要保護(hù)的I/O接口(見(jiàn)右下側(cè)淺藍(lán)色背景區(qū)域)

針對(duì)4至12線的攝像頭和顯示器的并行接口，安森美半導(dǎo)體有低通LC濾波器+ ESD保護(hù)器件，以及3至5個(gè)高速串行通道的共模濾波器+ ESD保護(hù)。對(duì)于便攜式HDMI、消費(fèi)類(lèi)HDMI/顯示端口，可以采用四個(gè)高速對(duì)、多達(dá)6個(gè)額外接口線、低電容ESD+共模濾波器方案。

此外，安森美半導(dǎo)體的保護(hù)應(yīng)用還包括音頻(音箱/耳機(jī))、SD接口、SIM卡、鍵盤(pán)EMI抑制、以太網(wǎng)，以及T1/E1、T3/E3和xDSL端口等，可以滿(mǎn)足消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品對(duì)強(qiáng)大ESD保護(hù)及減少EMI/RFI噪聲的更高要求。

應(yīng)用于便攜及消費(fèi)應(yīng)用接口的強(qiáng)大ESD保護(hù)及EMI濾波產(chǎn)品陣容

安森美半導(dǎo)體身為全球高能效電子產(chǎn)品的首要硅方案供應(yīng)商，在電路保護(hù)市場(chǎng)高居第一，為便攜及無(wú)線、消費(fèi)、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、汽車(chē)及電信等市場(chǎng)提供豐富多樣的ESD保護(hù)及EMI/RFI濾波產(chǎn)品。表1和表2分別列出了安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于便攜應(yīng)用接口及消費(fèi)應(yīng)用接口的ESD保護(hù)及EMI濾波方案，客戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇適合的方案。