高速電路的ESD保護最佳設計方案

靜電放電(ESD)會(huì )給電子器件環(huán)境會(huì )帶來(lái)破壞性的后果。事實(shí)上，在各種各樣電路的電路封裝和經(jīng)過(guò)裝配、正在使用大電子器件中，超過(guò)25%的半導體芯片損壞歸咎于ESD。

通常情況下，來(lái)自人體某個(gè)部分(手指)的放電將給給不同的材料充電，隨后傳遞到附著(zhù)在電子器件的導電觸點(diǎn)。這將造成IC損壞，并有理由指責終端用戶(hù)器件制造商。

這個(gè)問(wèn)題非常嚴重，以至于歐盟(European Union)已經(jīng)為任何在經(jīng)濟區銷(xiāo)售的商品制定了特殊的ESD抑制標準?，F在設計工程師必須為當今更敏感的半導體提供有效的ESD保護。

不幸地是，這項任務(wù)經(jīng)常遵循事后回想的設計原則：首先搭建沒(méi)有額外過(guò)壓瞬間抑制的電路，依靠板上的IC來(lái)進(jìn)行保護。如果測試能顯示在原型階段的靈敏度，那么就加上保護器件。如果這種方法被采用來(lái)滿(mǎn)足當今更低放大電壓，增加頻率和更低噪聲的要求的話(huà)，整個(gè)設計必須最優(yōu)的并是集成的。在末端增加保護可能非常昂貴，或由于時(shí)間限制而不切實(shí)際。

通常，ESD事件是由根據充電過(guò)程類(lèi)型和瞬態(tài)電泳嚴重程度的三種主要ESD算法描述的：人體模型(HBM)、充電器件模型(CDM)和機器模型(MM)。這些模型定義了瞬變效應的類(lèi)型，因此設計工程師們就可以定義明確的半導體過(guò)壓芯片瞬變等級靈敏度，以及芯片及裝配產(chǎn)品測試規程。利用這些模型，電路設計工程師可以測試芯片和產(chǎn)品的ESD保護效率相一致，而且可以定量地與可選方案進(jìn)行比較。

電荷通過(guò)一系列電阻器直接傳遞，例如人的手指，是最普遍的ESD損壞原因。因此，優(yōu)秀的ESD模型是HBM。在測試中待測器件中(DUT)，這是由一個(gè)100pF的電容通過(guò)一個(gè)1500Ω的電阻向器件放電來(lái)表示的。這個(gè)標準的商業(yè)版本是軍用規范883方法3015(圖1a)。

最流行的HBM變種是國際電工委員會(huì )IEC1000-4-2標準，定義為150pF電容通過(guò)一個(gè)330Ω電阻放電(圖1b)。這是歐盟對在其區域內商品銷(xiāo)售所必須的國際測試。

但是，明顯的瞬間電壓威脅和能量等級的不同存在于兩個(gè)模型之中。于是設計工程師可以使測試過(guò)程適合他們所期望的具體應用。例如，IEC1000-4-2具有一個(gè)非?？焖俚碾娖矫}沖上升時(shí)間，能應用更多的脈沖和更高的峰值電流(見(jiàn)表格)。

最近，電路設計工程師已經(jīng)正在通過(guò)一定數量的瞬間電壓抑制器(TVS)器件增加保護。一些例子包括固狀器件(二極管)、金屬氧化物變阻器(MOV)、可控硅整流器、其他可變電壓的材料(新聚合物器件)、氣體電子管和簡(jiǎn)單的火花隙。

這類(lèi)器件被放置在輸入端和地之間。當輸入電壓達到引起它們“開(kāi)路”或導通的水平時(shí)，它們能迅速把阻抗降低。理想地，輸入威脅被部分地反射回去，而平衡被部分地通過(guò)導通的TVS器件分流到地上。所以，在電路中只有更小比例的威脅能夠達到敏感的IC。

但是ESD抑制器件也有著(zhù)其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，隨著(zhù)新一代高速電路的出現，一些缺點(diǎn)被放大了。例如，TVS必須迅速響應到來(lái)的浪涌電壓。浪涌電壓在0.7ns達到8KV(或更高)峰值時(shí)，TVS器件的觸發(fā)或調整電壓(與輸入線(xiàn)平行)必須要足夠低以便作為一個(gè)有效的電壓分配器。

一些器件可保護電路，但在僅幾次電流脈沖和/或陷入進(jìn)入低阻(短路)狀態(tài)后就老化了，形成電路到地的大電電流通道。這點(diǎn)對由電池驅動(dòng)的器件來(lái)說(shuō)是致命的。

每個(gè)器件有其自身的差異。氣體放電管可通過(guò)大電流，但是響應速度很慢。它們也會(huì )老化且不能恢復。MOV能為高速電路提供相對緩慢的導通響應。硅二極管的觸發(fā)響應速度非?？?，導通電壓低，但它們像MOVS和其他器件一樣，電容比較高，從而影響高速信號。

頻率越高，電容效應就越大。全新的ESD變壓器件是當前僅有能夠提供極低電容和非常低關(guān)斷漏電流的產(chǎn)品。此外，在多次脈沖之后它們能自我恢復。

現在考慮成本因素。設計工程師盡可能地把非主要器件的成本降到最低。由于供大于求，二極管的價(jià)格一直以來(lái)都很低。一些新的高頻聚合物器件的價(jià)格也十分有競爭力。

過(guò)去幾個(gè)主要的設計因素簡(jiǎn)化了ESD抑制器問(wèn)題。工作電壓更高、速度更慢、更魯棒的IC對浪涌電壓不那么敏感。更低的工作頻率也意味著(zhù)保護速度不那么重要。同時(shí)，阻抗更高線(xiàn)路和引腳元件的電路、金屬更多的封裝以及更少的外部節點(diǎn)，也使事情變得更加簡(jiǎn)單。

但是電子行業(yè)已發(fā)生變化。消費電信行業(yè)在發(fā)生爆炸式發(fā)展，出現了更多的手持設備。器件的工作頻率已經(jīng)從幾kHz上升到GHz，從而使用于ESD保護的高容量無(wú)源器件帶來(lái)設計失真問(wèn)題。此外，芯片工作電壓正在降低，有助于極大提高對任和高能量瞬態(tài)(固定結點(diǎn)的加熱/融化)響應的靈敏度。同時(shí)，新型高頻數碼使用器件要求關(guān)斷漏電流非常低，從而降低噪聲。

在低成本的生產(chǎn)環(huán)境中，對于所有的電路元件來(lái)說(shuō)降低成本是主要目標。因此，有效的ESD抑制器應為設計工程師提供下列主要的好處和特點(diǎn)(未必按重要性排列)：

具有成本效益;

保護新型消費電子的音頻和視頻I/O線(xiàn)路以及RF連接端口，而無(wú)需犧牲性能;

保護新型通信連接硬件;

在很廣的工作頻率范圍內具有穩定的器件特性;

在工作頻率為數GHz的超寬帶電路中采用1pF以下的電容;

在關(guān)狀態(tài)條件下漏電流最小，以減小噪音;

降低由ESD抑制器元件引起的工作電路信號失真和減衰;

為提供有效保護，觸發(fā)和箝位特性要與電路器件要求一致;

具有所需的裝配特性、外形因子和PCB封裝，便于用在高速自動(dòng)裝配生產(chǎn)線(xiàn)上;

在各種可選擇的器件中，最好是在無(wú)需改變電路板的情況下具有高互換性;

在產(chǎn)品使用壽命期間可靠性高。

布局指南

不管選擇怎樣的TVS器件，它們在電路板上的布局非常重要。TVS布局前的導線(xiàn)長(cháng)度應該減到最小，因為快速(0.7ns)ESD脈沖可能產(chǎn)生導致TVS保護能力下降的額外電壓。

另外，快速ESD脈沖可能在電路板上相鄰(平行)導線(xiàn)間產(chǎn)生感應電壓。如果上述情況發(fā)生，由于將不會(huì )得到保護，因為感應電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達IC的路徑。因此，被保護的輸入線(xiàn)不應該被放置在其它單獨、未受保護的走線(xiàn)旁邊。推薦的ESD抑制器件PCB布局方案應該是：放置在被保護的IC之前，但盡量與連接器/觸點(diǎn)PCB側盡量近這; 放置在與信號線(xiàn)串聯(lián)任何電阻之前; 放置在包含保險絲在內的過(guò)濾或調節器件之前; 放置在IC之前的其他可能有ESD的地方。