提高可靠性的ESD保護(hù)考慮

增加產(chǎn)品特性、減小產(chǎn)品尺寸一直是手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員所面臨的挑戰(zhàn)。當(dāng)手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器和PDA等產(chǎn)品提供更多的功能時(shí)，它們的I/O端口也隨之增多，導(dǎo)致靜電放電(ESD)進(jìn)入系統(tǒng)并干擾或損壞集成電路。此外，由于特性的增加和多功能的集成，IC設(shè)計(jì)對(duì)ESD更加敏感。設(shè)計(jì)人員須應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)，使IC盡可能提供最有效的ESD保護(hù)，同時(shí)還要為額外的保護(hù)元件減小占板空間和成本。

設(shè)計(jì)人員為電路選擇合適的保護(hù)元件時(shí)必須做出一些考慮。ESD保護(hù)二極管的主要功能在于增加手持產(chǎn)品的可靠性。保護(hù)元件可提供的可靠性由長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)元件保護(hù)特定應(yīng)用，并參考其不干擾器件功能的程度來(lái)確定。公認(rèn)的波形定義系統(tǒng)級(jí)典型ESD事件是IEC61000-4-2波形，其特點(diǎn)是快速上升時(shí)間小于1ns(見(jiàn)圖1)。此波形的規(guī)格需要四個(gè)不同的ESD幅度水平。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行最嚴(yán)格的檢測(cè)，保證其接觸放電為8kV。

當(dāng)設(shè)計(jì)人員為電路選擇保護(hù)元件，提高其可靠性時(shí)，可能需回答以下問(wèn)題：

1. 電容要求和所保護(hù)的線路ESD情況如何？

2. 保護(hù)器件鉗制ESD脈沖的電壓是多少？

3. 器件的長(zhǎng)期性能如何？

電容要求和所保護(hù)的線路ESD情況如何？

確定合適的ESD保護(hù)器件時(shí)，必須考慮的第一個(gè)問(wèn)題是保護(hù)線路的速度是多少？對(duì)于高速線路(如USB2.0)需要小電容二極管確保無(wú)損信號(hào)的完整性。本文將專注于公共應(yīng)用(如速度較低的鍵盤、側(cè)鍵和電源線)，因此不需要小電容。

許多低速應(yīng)用受到最嚴(yán)重的ESD情況影響。按鈕等應(yīng)用受到的ESD沖擊最多，因?yàn)樵谡Ｊ褂弥兴麄儽挥|摸的頻率高于其它應(yīng)用。因此，與便攜式器件上的其它應(yīng)用相比，這些應(yīng)用受到最嚴(yán)格ESD脈沖的頻率較高。此外，當(dāng)便攜式設(shè)計(jì)變得越來(lái)越小，按鈕越接近IC，ESD越容易與電路耦合。對(duì)于這種惡劣的環(huán)境，采用提供足夠鉗制特性的ESD保護(hù)器件，確保IC不受損是最重要的。但是因?yàn)榭臻g受限，許多設(shè)計(jì)沒(méi)有容納ESD保護(hù)器件的足夠空間。因?yàn)樗鼈兊某叽缧『陀邢薜腅SD鉗制功能，兩種在低速線路上最常用的ESD保護(hù)解決方案是壓敏電阻器和硅ESD保護(hù)器件。本文將比較這兩種器件的差別。

保護(hù)器件鉗制ESD脈沖的電壓是多少？

確定特定應(yīng)用的最佳保護(hù)器件時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮ESD保護(hù)器件鉗制輸入ESD事件的方法。ESD保護(hù)器件的目的是降低8kV IEC61000-4-2接觸輸入到所保護(hù)IC的安全電壓。較小的鉗制電壓在IC上通過(guò)的能量越小，對(duì)受保護(hù)的IC損壞的機(jī)率也越小。受到ESD脈沖輸入的器件上的電壓波形顯示器件的鉗位特性。鉗位電壓定義為保護(hù)器件啟動(dòng)后，ESD波形電平關(guān)閉的電壓。注意到對(duì)于一些器件沒(méi)有明顯的電平關(guān)閉電壓。但是，電壓波形以下的面積與IC在ESD事件中受到的能量成正比，因此在比較兩種保護(hù)器件時(shí)這是最重要的因素。

為了比較硅ESD保護(hù)器件和壓敏電阻器的鉗位特性，必須選擇兩種用于相同應(yīng)用的元件。它們的封裝尺寸、工作電壓必須相似，而且電容范圍須適合應(yīng)用。目前，最常見(jiàn)的封裝尺寸和最小的單線ESD保護(hù)是0402尺寸的器件，面積大約為1mmx0.6mm。便攜式應(yīng)用中的大多數(shù)低速線路是0到5V范圍內(nèi)的直流線路，因此它們要求的工作電壓在5到6V之間。對(duì)于低速線路，電容超過(guò)50pF是可以接受的。符合上述要求的兩個(gè)元件是安森美半導(dǎo)體的ESD9X5.0ST5G ESD保護(hù)元件和Amotech的AVLC5S02100壓敏電阻器的壓敏電阻器。兩者的尺寸都是0402，電容超過(guò)50pf，而且工作電壓在5~6V之間。

比較這些器件性能的最好方法是在IEC61000-4-2 8kV接觸脈沖作為器件輸入時(shí)，觀察元件的鉗位特性。圖2在同一張圖中顯示了每個(gè)元件對(duì)于正負(fù)ESD脈沖的響應(yīng)。

圖1：IEC61000-4-2波形，其特點(diǎn)是快速上升時(shí)間小于1ns