高速數(shù)據(jù)線路保護便攜電子應(yīng)用解決方案

手機、數(shù)碼相機、MP3播放器和個人數(shù)字助理(PDA)等手持產(chǎn)品設(shè)計人員不斷面對在更小的外形內(nèi)提供更多功能的挑戰(zhàn)。集成電路(IC)設(shè)計人員通過提高器件的速度和性能同時減小硅器件的尺寸推動了這種趨勢,使空間受限的便攜電子產(chǎn)品能夠使用支持增添的功能所需要的高速數(shù)據(jù)線路接口。但其代價如何呢？為了實現(xiàn)便攜應(yīng)用在較小面積上提供更高的功能，IC技術(shù)使用了更小的幾何尺寸和更低的工作電壓，使它們對靜電放電(ESD)電壓損壞越來越敏感。這種趨勢對終端產(chǎn)品的可靠性有負(fù)面影響，會增加現(xiàn)場故障的可能性。同時，便攜設(shè)備設(shè)計人員得找到一種片外ESD保護解決方案，結(jié)合低電容和低ESD鉗位電壓，且所采用的封裝小到足夠適應(yīng)當(dāng)今尺寸日益縮小的便攜電子應(yīng)用。

選擇有效的ESD解決方案之考慮

選擇有效的便攜電子產(chǎn)品高速應(yīng)用ESD解決方案有三項主要考慮因素，分別是尺寸、電容和ESD鉗位能力。封裝尺寸要求由設(shè)計人員確定，但對便攜產(chǎn)品而言一個通用準(zhǔn)則是“越小越好”。

對于高速數(shù)據(jù)線路來說，增加電容可能降低信號完整性。電容可能通過設(shè)計元件以及電路板本身來增加數(shù)據(jù)線路，當(dāng)設(shè)計人員開始增添ESD保護功能時僅有極少空間剩下用來增加額外電容。每項設(shè)計各不相同，并且對ESD保護電容的要求可能也不相同，具體取決于其它設(shè)計元件所使用的總電容預(yù)算為多少，不過一個通用的準(zhǔn)則是電容越低越好。

本文將集中討論便攜應(yīng)用最常用的高速接口，即USB2.0(480Mb/s)。在這個數(shù)據(jù)率，保護解決方案必須擁有低于1.5pF的電容，這樣才能保持?jǐn)?shù)據(jù)線路的完整性。

選擇有效的ESD解決方案的最終考慮因素在于ESD鉗位能力。ESD保護器件的目的在于將數(shù)千的ESD輸入電壓降低至IC受到保護的安全電壓，并將電流與IC分流開來。雖然所需ESD波形的輸入電壓和電流在過去幾年未曾變化，但保護IC需要的安全電壓電平卻降低。過去，IC設(shè)計對ESD而言更為強固，能夠處理更高的電壓，因此任意選擇能夠在IEC61000-4-2 level 4要求下存續(xù)的保護二極管就足夠了。而面對更新、更加敏感的IC，設(shè)計人員如今不僅需要確保保護器件能在IEC61000-4-2 level 4標(biāo)準(zhǔn)下存續(xù)，還需要確認(rèn)保護器件將在足夠低的電壓對ESD脈沖進行鉗位，以此確保IC不被損壞。當(dāng)為給定應(yīng)用選擇最佳保護器件，設(shè)計人員必須考慮ESD保護器件對入侵ESD如何鉗位。IC敏感度因設(shè)計不同而不同，但關(guān)于鉗位電壓的一個通用準(zhǔn)則是“越低鉗位電壓越好”。

當(dāng)選擇ESD保護元件時，封裝尺寸和電容能夠通過查看產(chǎn)品數(shù)據(jù)表來輕易確定。然而，鉗位電壓要定義起來則有點麻煩，因為沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如何在ESD事件中測量鉗位電壓。本文接下來將集中討論如何檢測ESD保護二極管的鉗位電壓。

ESD波形

在系統(tǒng)級定義典型ESD事件的最常用波形是IEC61000-4-2波形，這種波形特別之處在于其亞納秒上升時間和大電流電平。這種波形的規(guī)范涉及4個等級的ESD脈沖幅度。大多數(shù)設(shè)計人員需要使產(chǎn)品合乎最高等級的8kV接觸放電或15kV空氣放電要求。

多數(shù)ESD保護元件的數(shù)據(jù)表會標(biāo)明符合IEC61000-4-2規(guī)范的最大額定電壓，這顯示元件不會被指定等級的ESD脈沖所損壞。但是，這個額定電壓并不會給出任何有關(guān)ESD等高頻、大電流瞬態(tài)事件的鉗位電壓信息。與數(shù)據(jù)表上規(guī)定的直流(DC)擊穿電壓相比，這些瞬態(tài)事件發(fā)生時保護二極管的鉗位電壓在很大程度上更高。但要規(guī)定IEC61000-4-2規(guī)范的鉗位電壓較難，因為它被擬定成為一個系統(tǒng)級的通過/不通過規(guī)范。為了將這個規(guī)范運用到保護元件上，很重要的是不僅要檢查保護元件是通過還是不通過，還要看它怎樣鉗位ESD電壓至低位以及它在保護敏感元件方面表現(xiàn)如何。

比較保護二極管鉗位電壓的最佳途徑是采用示波器來對發(fā)生ESD事件期間通過二極管的實際電壓波形進行屏幕截圖。這可以通過圖1所示的測試設(shè)置來實現(xiàn)。

捕獲ESD鉗位電壓屏幕截圖的測試設(shè)置。

這個測試設(shè)置將給出發(fā)生ESD事件時通過保護元件的電壓波形，這波形將顯示沿著這條線路的IC在ESD事件期間將遭受的電壓電平。當(dāng)查看IEC61000-4-2測試中ESD保護器件的電壓波形時，可以發(fā)現(xiàn)通常有一個初始電壓尖峰以及跟隨在后面的第二個尖峰，而最終電壓波形將趨向水平。初始電壓尖峰是由IEC61000-4-2波形中的初始電流尖峰和測試結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的過沖所造成。但是，初始尖峰持續(xù)時間較短，這就限制了傳遞至IC的能量。保護器件的鉗位性能在初始過沖之后的曲線中得到最佳顯現(xiàn)。第二個尖峰是主要問題所在，因為這時的電壓波形持續(xù)較長時間，增加了IC將遭受的總能量。在下面的研究中鉗位電壓定義為第二個尖峰的最大電壓。

高速數(shù)據(jù)線路保護的選擇

有兩種主要的ESD保護選擇擁有面向便攜應(yīng)用USB2.0高速保護的適合尺寸和電容規(guī)范，分別是無源和硅器件。在下面的基準(zhǔn)研究中我們將查看這兩種類型產(chǎn)品在常見示例下的關(guān)鍵規(guī)范。為了進行公平的比較，我們將使用的選項中的各種技術(shù)都采用相同的封裝尺寸。

無源保護器件

分析

所有這些選項都利用了流行的超小型0402尺寸封裝進行檢測，這個尺寸封裝小到足以適合大多數(shù)的便攜設(shè)計。它們也都擁有遠低于1.5pF要求的電容。對于USB2.0高速版480Mb/s的數(shù)據(jù)率而言，任何低于1pF的電容都將能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)線路的信號完整性，任何的差別都難以察覺。這些產(chǎn)品的關(guān)鍵性能差異點就在于ESD鉗位性能。無源元件在ESD事件期間擁有最高的鉗位電壓，達到67V到超過70V。Semtech硅保護器件的鉗位電壓為正脈沖45V而負(fù)脈沖時44V。安森美半導(dǎo)體的硅保護器件在正ESD脈沖時將ESD事件鉗位至15V而在負(fù)ESD脈沖時鉗位至10V。

與無源元件相比，具有較低鉗位電壓的硅器件表現(xiàn)得更好。但是，有意思的是，同是硅保護器件，Semtech的Railclam技術(shù)和安森美半導(dǎo)體的“集成ESD保護”技術(shù)也有著重要差別。用以實現(xiàn)每種類型技術(shù)的設(shè)計技術(shù)能夠確定它們對ESD脈沖鉗位得怎樣。許多用于降低電容的設(shè)計技術(shù)伴隨著具有較高ESD鉗位電壓的折衷。為了克服這個設(shè)計折衷而不犧牲鉗位電壓性能，安森美半導(dǎo)體運用突破性的工藝技術(shù)，將超低電容引腳二極管和大功率瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管集成到單個裸片上，能夠用作高性能的片外ESD保護解決方案。這新型集成ESD保護技術(shù)平臺保持了傳統(tǒng)TVS二極管技術(shù)極佳的鉗位和低泄漏性能，同時還將電容降低至0.5pF。這在鉗位性能方面領(lǐng)先業(yè)界，可確保最敏感集成電路的保護。