今天与未来电路保护需求的ESD解决方案

今天，无处不在的静电和人们日常生活离不开的各种电子设备成为了一对难以解决的矛盾，尤其是当手持电子设备的轻薄小巧且产品特性及功能不断增加时，它们的输入/输出端口也随之增多，导致静电放电(ESD)进入系统并干扰或损坏集成电路(IC)，因此如何进行有效的ESD保护已成为电子设备制造商面对的重要课题。安森美半导体提供从“插口到插袋”的完整解决方案，包括电源转换、控制和保护方案。在ESD保护领域，安森美半导体亚太区标准产品部市场营销副总裁麦满权说该公司以超小封装领先业界，且性能优异，符合各种规范及标准，又可靠质优，具备更长的使用寿命。该公司并不断研发，开发了许多先进的工艺技术，进一步巩固了其在该领域的优势地位。

ESD问题无处不在

ESD经常发生，影响到所有手持设备。必须对IC加以保护，因为其中大多数无法承受高于2 kV的ESD。安森美半导体的ESD保护器件以最快的响应时间和最低的钳位电压钳制IEC 61000-4-2 ESD抑制标准的8千伏(kV)脉冲。

以往，由于电子设备的体积没有那么小，所使用的IC器件也比现在要大很多，所以ESD似乎还不是一个问题。因为器件越大电容也越大，它们可以容纳每伏(V)更多的电荷，因此与较小的器件相比，对ESD的敏感性更低。而当电子设备的体积越来越小，功能越来越多，电路越来越精密，使用的半导体工艺到了亚微米以下的时候，IC设计对ESD更加敏感，就更容易受到ESD的损坏，ESD也就成了一个设计的挑战。设计人员须使IC尽可能提供最有效的ESD保护，而又要为额外的保护元件减少电路板空间。　　电子电路的输入/输出连接器为ESD的进入提供了路径。以手机为例，音量键、语音键、智能键、充电器插口、配件连接端口、扬声器、键区、扩音器、SIM卡、电池接头等都可能成为ESD的进入点，使之轻松达到电路及电压敏感型元件。　　当进入的ESD电压足够高时，就会在IC器件的电介质上产生电弧，在门氧化物层烧出显微镜可见的孔洞，造成器件的永久损坏。

ESD保护与CMOS芯片的分离

人们曾经尝试将ESD保护与CMOS芯片集成在一起，这样的方法不是不可以。但是随着半导体工艺向65nm以下的转移，原来在1.5 μm工艺的芯片面积上只占几十分之一(获得2kV ESD保护)的ESD保护的面积已经无法容纳于现在只有几个纳米的芯片之中了。在65nm工艺下，ESD保护的面积甚至超出了整个芯片的面积。相反，工艺越来越精细，对需要ESD保护的要求就越高。因此，有效的ESD保护已不能完全集成到CMOS芯片当中了。

此外，对电子设备来说，外部保护器件可以更有效地防止ESD轻松进入电路及电压敏感型元件。强制性ESD抑制标准IEC61000-4-2要求，保护器件应放置在连接器或端口处，以便在ESD进入电路板之前有效抑制ESD事件的发生。

TVS与压敏电阻的比较

传统上，电子设备厂商是使用压敏电阻来进行ESD保护，但是它存在体积大、性能不好的缺点。在封装方面，安森美半导体的超微型ESD器件与0402多层压敏电阻相比，SOD-923 TVS的建议焊接面积为0.54mm2，SOD-723 TVS为0.7mm2，而0402压敏电阻为0.9mm2。在截面高度上，SOD-923 TVS为0.4mm，SOD-723 TVS为0.5mm，0402压敏电阻则为0.9mm。　　更重要的是，TVS与压敏电阻的性能不可同日而语。安森美半导体的ESD器件具有更好的钳制性能、更低的泄漏和更长的使用寿命。　　利用高频测试电路板提供ESD接触放电脉冲电流和ESD枪测试ESD保护器件的性能，可以在示波器上看到如图1所示的真实的钳制电压曲线。TVS器件可以立即将进入的电压压到很低的水平，从8kV静电很快钳制到5-6V水平；但压敏电阻的曲线则下降得很缓慢，而且无法降到很低的水平。该曲线表明，TVS器件的恢复时间非常短，经过TVS器件泄漏到后面电路的能量也非常少。对便携式设备来说，进入的能量越少越好。



由于压敏电阻采用的是物理吸收原理，所以每经过一次ESD事件，材料就会受到一定的物理损伤，形成无法恢复的漏电通道；而且，要达到更好的吸收效果，就要使用更多的材料，使其体积增加，进而限制了在今天小型化产品当中的应用。TVS器件利用的是半导体的钳位原理，只要可以集成在小型封装里，就可以保证其可靠性。

TVS技术在受到8 kV高压电击后，会将能量传递出去，从而不会像压敏电阻一样影响到寿命。压敏电阻在高压电击20次之后，漏电会越来越严重。因为其物理结构形成了多条漏电通道。

TVS技术是二级管工作原理，受到电击后，会立即击穿，然后关闭。对器件没有损伤，因此可以说没有寿命限制。　　对开发产品的工程师来说，通过符合IEC 61000-4-2标准的+8kV接触放电钳制电压来测量TVS器件的性能，有助于削弱过压事件的危害。低钳位电压意味着可对IC提供更好的保护。安森美半导体麦满权形容，TVS好比耍太极，把静电在几个纳秒内泄掉。

同类产品ESD钳位的比较

同样利用上述方法测量安森美半导体和其他同类竞争产品的钳位电压，可以看到如图2所示的结果，在正脉冲时，安森美半导体ESD9X5.0ST5G二极管的钳位电压比其他产品的稍低；但在负脉冲时，安森美半导体的二极管钳位电压同样很低，不过其他同类竞争产品的电压则下降很缓慢，几乎多了5倍时间才把电压下来。如上所述，负脉冲条件下的钳位电压同样有意义，因为存在超量电子的表面会进行负充电，同样需要进行ESD保护。



测试结果表明，与竞争产品相比，安森美半导体ESD9X二极管在正负ESD脉冲钳位性能方面均更加优异，尤其是负ESD脉冲钳位性能更高。

针对USB应用的ESD保护解决方案

2006年年底，中国信息产业部宣布在中国国内销售的手机充电器将统一采用USB接口标准。厂商必须为销售的手机提供USB(A类)接口，以便于进行电池充电和数据传输。此外，还规定手机制造商可对手机本身的接口设置保留灵活性，但如果接口不是USB接口，厂商需提供适配器线缆以便连接USB接口。由于手机的ESD保护越来越重要，系统的标准化为ESD保护市场带来了巨大的机会。

为此，安森美半导体利用自己的技术优势开发了针对USB应用的ESD保护解决方案，能够有效地通过低电容TVS保护全速/高速USB接口，如下表所示。



这些ESD保护解决方案采用领先业界的超小型封装，性能优异，符合各种规范及标准，可靠性高，具有更长的使用寿命。

面向未来的ESD保护技术

安森美半导体按照技术——TVS电容与传输速率——将ESD保护市场划分为三个：第一是标准ESD保护，满足大功率(高于100瓦)，最低钳制电压，适用于键区、按钮、电池接头、充电器插口、旁键等的保护，TVS电容在1000pF至100pF；第二是高速ESD保护，数据传输率要求更快，低电容，包括USB1.1、USB2.0FS、FM天线、SIM卡、音频线路等，TVS电容在35 pF至2.5pF；第三个是超高速ESD保护，如USB2.0HS、HDMI、RF天线等，TVS电容在1pF以下，电容值与钳位相反，不可用传统TVS技术。

在第一个市场标准ESD保护方面，安森美半导体有ESD5Z5.0、ESD9X5.0S、NZL6V8AXV3、?ESD3.3D等通用产品。第二个市场高速ESD保护有刚刚推出的ESD9C5.0S和ESD7C5.0D，TVS电容仅为6pF；还有可满足音频线路、扬声器和麦克风需要的双向ESD保护器件ESD5B5.0S和ESD9B5.0S。

第三个是有待开发的市场，安森美半导体采用了创新的技术研制出了更小电容值的产品，可满足超高速应用的ESD保护要求，不仅效果更好，而且可保证信号损失极小，因此可以为高清电视等讲究信号损耗很低的新兴电子产品提供完整的解决方案。

值得注意的是，半导体厂商的数据表中只给出了ESD保护器件的参数，并没有显示上述测试的曲线，因此仅通过阅读数据表并不能完全了解同类器件真正的差别。安森美半导体计划将该曲线加在新产品的数据表中，以帮助设计人员全面了解ESD器件的性能。

总结

安森美半导体的ESD保护产品都会进行严格的上千次的测试，从而确保其能够承受高压冲击，确保性能优异，质量可靠，具有更长的使用寿命。安森美半导体并不断研发，开发各种先进的技术、产品和封装，以满足便携式产品设计的更进一步的需求，例如有的客户的需求已超越了IEC 61000-4-2标准的8kV输入脉冲，而要求达12kV到18kV的硅ESD保护解决方案。