- 對高性能的便攜應(yīng)用ESD保護方案的討論
- 采用便攜設(shè)備最有效的ESD保護方法
- 通過對外部保護元件比較及其性能測試
- 采用安半保護元件的USB 2.0高速應(yīng)用保
隨著手機等便攜設(shè)備中具備更多的功能，可供靜電放電(ESD)電壓進入的潛在輸入輸出(I/O)通道更趨眾多，包括鍵盤、按鍵、SIM卡、電池充電、USB接口、FM天線、LCD顯示屏、耳機插孔、FM天線等眾多位置都需要ESD保護。根據(jù)電容及數(shù)據(jù)率的不同，便攜設(shè)備的ESD保護應(yīng)用領(lǐng)域可分為大功率、高速和極高速等三個類型，其電容分別為大于30 pF、介于1至30 pF之間和小于1 pF，參見表1。由此表中可見，速度越高的應(yīng)用要求的電容也越低，這是因為高速應(yīng)用中更需要維持信號完整性及降低插入損耗。
表1：便攜設(shè)備ESD保護應(yīng)用分類及典型保護產(chǎn)品(其中紅色字體為領(lǐng)先產(chǎn)品)。
便攜設(shè)備最有效的ESD保護方法
從保護方法來看，一種可能的選擇是芯片內(nèi)建ESD保護，但日趨縮小的CMOS芯片已經(jīng)越來越不足以承受內(nèi)部2 kV等級ESD保護所需要的面積，故真正有效的ESD保護不能完全集成到CMOS芯片之中。另外，雖然通過在物理電路設(shè)計及軟件設(shè)計方面下功夫，可以發(fā)揮一些作用，但總有部分重要電路較為敏感，很難與外部隔離，故最有效的ESD保護方法還是在便攜設(shè)備的連接器或端口處放置保護元件，將極高的ESD電壓鉗位至較低的電壓，以確保電壓不會超過集成電路(IC)內(nèi)氧化物的擊穿電壓，保護敏感IC。
在正常工作條件下，外部ESD保護元件應(yīng)該保持在不動作狀態(tài)，同時不會對電子系統(tǒng)的功能造成任何影響，這可以通過維持低電流以及低電容值來達成。而在ESD應(yīng)力沖擊或者說大電流沖擊條件下，ESD保護元件的第一個要求就是必須能夠正常工作，要有夠低的電阻以便能夠限制受保護點的電壓；其次，必須能夠快速動作，這樣才能使上升時間低于納秒的ESD沖擊上升時間。
外部保護元件比較及其性能測試
常見的外部保護元件有壓敏電阻、聚合物和硅瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)等，它們所采用的材料分別是金屬氧化物、帶導電粒子的聚合物和硅。壓敏電阻在低電壓時，呈現(xiàn)出高電阻，而在較高電壓時電阻會下降。帶導電粒子的聚合物在正常電壓下相當高的電阻，但當遭受ESD應(yīng)力時，導電粒子間的小間隙會成為突波音隙陣列，從而帶來低電阻路徑。TVS則為采用標準與齊納二極管特性設(shè)計的硅芯片元件。TVS元件主要針對能夠以低動態(tài)電阻承載大電流的要求進行優(yōu)化，由于TVS元件通常采用IC方式生產(chǎn)，因此我們可以看到各種各樣的單向、雙向及以陣列方式排列的單芯片產(chǎn)品。
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在這幾種外部保護元件中，TVS元件的大電流導電率極佳，且在重復應(yīng)力條件下仍能維持優(yōu)異性能，不存在壓敏電阻或聚合物等其它保護元件使用增多后會出現(xiàn)性能下降的問題，而且新的ESD元件具有極低的電容，非常適合高速數(shù)據(jù)線路的ESD保護。而越是高速的應(yīng)用，越是要求ESD保護元件具有更低的電容及更低的鉗位電壓。
圖1：安森美半導體集成硅ESD保護元件擁有比競爭器件更優(yōu)的鉗位電壓性能。
電子系統(tǒng)必須能夠在IEC 61000-4-2標準測試條件下存續(xù)。為了對上述幾種外部ESD保護元件進行更加直接的比較，對壓敏電阻、聚合物、安森美半導體半導體硅保護元件及性能最接近的硅競爭器件，首先施以IEC 61000-4-2 ±8 kV ESD接觸放電脈沖，并通過示波器截取其ESD鉗位電壓波形進行比較，可以發(fā)現(xiàn)安森美半導體的硅ESD保護元件擁有低得多的鉗位電壓，不僅優(yōu)于壓敏電阻和聚合物等無源元件，更優(yōu)于性能最接近的硅競爭器件，參見圖1 。
此外，便攜設(shè)備可能遭受多次的ESD電壓應(yīng)力，這在中國北方地區(qū)表現(xiàn)得猶為顯眼。因為，外部保護元件在多種ESD應(yīng)力條件的性能猶為重要，直接決定著便攜產(chǎn)品的可靠性。因此，同樣可以對壓敏電阻、聚合物和硅ESD二極管等保護元件在Tesec直流測試條件下測試，每個元件都施以總計2,000次的15 kV接觸放電ESD脈沖(正向及負向各1,000次)，每兩次脈沖的時間間隔為0.1秒。表2所示的測試結(jié)果顯示，安森美半導體的硅集成ESD保護元件在多重應(yīng)力條件下仍然維持極佳的性能，而競爭器件要么損壞，要么性能退化較嚴重。
表2：Tesec直流測試條件下不同ESD外部保護元件在多重應(yīng)力后的性能比較。
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如表1所示，安森美半導體為便攜設(shè)備的大功率、高速和極高速等應(yīng)用領(lǐng)域均提供一系列的高性能硅ESD保護元件，滿足不同應(yīng)用需求。其中，安森美半導體的ESD11L、ESD11N、NUP4016(用于極高速應(yīng)用)，ESD11B、NUP4xxxP5(用于高速應(yīng)用)更是當今業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品。
例如，NUP4016具備每條I/O線路0.5 pF的超低電容，非常適用于保護通用串行總線(USB) 2.0高速(480 Mbps)和高清多媒體接口(HDMI) (1.65 Gbps)等高速接口。ESD11L5.0D將安森美半導體的超低電容技術(shù)集成至3引腳封裝中，以0.5 pF電容保護兩條高速數(shù)據(jù)線路，為設(shè)計人員提供保護USB 2.0端口的D+和D-線路的單個器件解決方案；ESD11L5.0D也能夠連接陰極至陰極，以0.25 pF電容保護單條雙向線路，非常適用于保護高頻射頻(RF)天線線路。
NUP4016和ESD11L5.0D都能在數(shù)納秒時間內(nèi)將15千伏(kV)輸入ESD波形鉗位至不足8伏(V)，為當今對ESD敏感的集成電路(IC)提供最高保護水平。這些硅器件沒有無源技術(shù)的磨損問題，在經(jīng)過多次浪涌事件如ESD等后，可靠性和性能都不受影響。
值得一提的，安森美半導體的這些高性能硅保護不僅提供極低電容和極低鉗位電壓，更采用極小的封裝，是需要在超薄封裝中提供優(yōu)異保護性能的便攜產(chǎn)品的極佳保護器件。如NUP4016采用極小的1.0 mm x 1.0 mm x 0.4 mm SOT-953封裝保護4條高速數(shù)據(jù)線路，是如今市場上最薄的高速通信接口用ESD保護器件。
ESD11L5.0D采用超小型1.0 mm x 0.6 mm x 0.37 mm SOT-1123封裝，與采用SOT-723封裝的市場上同類解決方案相比，占位面積小50%，厚度低20%，是如今市場上最薄的高速通信、USB 2.0數(shù)據(jù)和電源線路和保護用ESD器件。
安森美半導體還規(guī)劃提供尺寸小至0.6 mm x 0.3 mm x 0.3 mm的0201 CSP封裝的ESD器件，保護單條線路，每條線路所占平面面積僅為0.18 mm2。
采用安森美半導體半導體保護元件的USB 2.0高速應(yīng)用保護示例
USB 2.0接口在便攜設(shè)備中的應(yīng)用范圍非常普及，在用戶的日常使用中也有著極高的使用頻率，故需要為高速的USB接口提供可靠的ESD保護。圖2顯示的是速度達480 Mbps的USB 2.0高速應(yīng)用在帶識別(ID)線路及不帶ID線路兩種情況下的簡明結(jié)構(gòu)示意圖。[page]
圖2：USB2.0高速(480Mbps)應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖
以帶ID線路的圖2 a)為例，應(yīng)用中需要以電容小于1 pF、小封裝的器件保護3條極高速數(shù)據(jù)線路(D+、D-和ID)及1條大功率線路(Vbus)。針對這樣的保護需求，既可以采用分立保護方案，如使用3顆ESD9L加1顆ESD9X，也可以采用集成保護方案，如1顆NUP3115UP或NUP4114UP(有1條線路未連接)。
而在圖2 b)的應(yīng)用中，需要以電容小于1 pF、小封裝的器件保護2條極高速數(shù)據(jù)線路及1條大功率線路(Vbus)。針對這樣的保護需求，同樣既可以采用分立保護方案，如使用2顆ESD9L加1顆ESD9X、1顆ESD7L加1顆ESD9X或1顆ESD11L加1顆ESD9X，也可以使用集成保護方案，如1顆NUP2114UP或1顆NUP4114UP(保護2個USB端口)。
總結(jié)：
手機、數(shù)碼相機等便攜產(chǎn)品中的眾多位置可能遭受ESD脈沖的影響并損壞其中特征尺寸越來越小、越來越敏感的集成電路，進而影響系統(tǒng)的可靠性。最有效的ESD保護方法是在便攜設(shè)備的連接器或端口處放置外部保護元件。測試表明，硅TVS二極管比聚合物和壓敏電阻等無源元件的鉗位性能更優(yōu)異，而安森美半導體的硅保護元件更是優(yōu)于性能最接近的競爭器件。安森美半導體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅解決方案供應(yīng)商，為便攜設(shè)備的大功率、高速和極高速應(yīng)用領(lǐng)域提供豐富的高性能硅保護元件系列，其中不少都是當今業(yè)界的領(lǐng)先產(chǎn)品。這些領(lǐng)先產(chǎn)品以極小的封裝提供極低的電容和極低鉗位電壓，非常適合保護USB 2.0高速及HDMI等極高速應(yīng)用。同時，客戶得益于安森美半導體豐富的硅保護元件系列，能夠為其USB 2.0高速等應(yīng)用靈活地選擇及搭配安森美半導體的硅保護元件，滿足他們的不同應(yīng)用需求。
