提高可靠性的ESD保護考慮

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)計人員所面臨的挑戰(zhàn)。當(dāng)手機、數(shù)碼相機、MP3播放器和PDA等產(chǎn)品提供更多的功能時，它們的I/O端口也隨之增多，導(dǎo)致靜電放電(ESD)進入系統(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)計對ESD更加敏感。設(shè)計人員須應(yīng)對此挑戰(zhàn)，使IC盡可能提供最有效的ESD保護，同時還要為額外的保護元件減小占板空間和成本。

設(shè)計人員為電路選擇合適的保護元件時必須做出一些考慮。ESD保護二極管的主要功能在于增加手持產(chǎn)品的可靠性。保護元件可提供的可靠性由長時間內(nèi)元件保護特定應(yīng)用，并參考其不干擾器件功能的程度來確定。公認的波形定義系統(tǒng)級典型ESD事件是IEC61000-4-2波形，其特點是快速上升時間小于1ns(見圖1)。此波形的規(guī)格需要四個不同的ESD幅度水平。大多數(shù)設(shè)計人員需要對產(chǎn)品進行最嚴格的檢測，保證其接觸放電為8kV。

當(dāng)設(shè)計人員為電路選擇保護元件，提高其可靠性時，可能需回答以下問題：

1. 電容要求和所保護的線路ESD情況如何？

2. 保護器件鉗制ESD脈沖的電壓是多少？

3. 器件的長期性能如何？

電容要求和所保護的線路ESD情況如何？

確定合適的ESD保護器件時，必須考慮的第一個問題是保護線路的速度是多少？對于高速線路(如USB2.0)需要小電容二極管確保無損信號的完整性。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)用受到最嚴重的ESD情況影響。按鈕等應(yīng)用受到的ESD沖擊最多，因為在正常使用中他們被觸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)用受到最嚴格ESD脈沖的頻率較高。此外，當(dāng)便攜式設(shè)計變得越來越小，按鈕越接近IC，ESD越容易與電路耦合。對于這種惡劣的環(huán)境，采用提供足夠鉗制特性的ESD保護器件，確保IC不受損是最重要的。但是因為空間受限，許多設(shè)計沒有容納ESD保護器件的足夠空間。因為它們的尺寸小和有限的ESD鉗制功能，兩種在低速線路上最常用的ESD保護解決方案是壓敏電阻器和硅ESD保護器件。本文將比較這兩種器件的差別。

保護器件鉗制ESD脈沖的電壓是多少？

確定特定應(yīng)用的最佳保護器件時，設(shè)計人員必須考慮ESD保護器件鉗制輸入ESD事件的方法。ESD保護器件的目的是降低8kV IEC61000-4-2接觸輸入到所保護IC的安全電壓。較小的鉗制電壓在IC上通過的能量越小，對受保護的IC損壞的機率也越小。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器件啟動后，ESD波形電平關(guān)閉的電壓。注意到對于一些器件沒有明顯的電平關(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器件時這是最重要的因素。

為了比較硅ESD保護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，最常見的封裝尺寸和最小的單線ESD保護是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。對于低速線路，電容超過50pF是可以接受的。符合上述要求的兩個元件是安森美半導(dǎo)體的ESD9X5.0ST5G ESD保護元件和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，觀察元件的鉗位特性。圖2在同一張圖中顯示了每個元件對于正負ESD脈沖的響應(yīng)。

圖1：IEC61000-4-2波形，其特點是快速上升時間小于1ns