保护敏感IC元件

为了成本，集成度和性能等指标，采用高速串行数据接口，并且减小半导体制造布局是非常有必要的。但这种较小的器件更容易受到较低电压和电流所造成的静电损伤。另外，用于高速数据线上的低电容ESD保护器件在电容减小的同时，动态电阻会变大，这会使它们保护系统敏感IC元件的能力变差。　　对于传统的ESD保护方案，强大的静电放电保护与良好的信号完整性是一对矛盾。有一些ASIC根本无法在保证信号完整性的同时，有效地进行ESD保护。
　　数据表说明书
　　系统设计者通常用器件数据表上标注的ESD等级来比较其ESD保护能力。然而这些等级仅仅适用于单独的ESD器件，而不代表它们所在的工作系统。
　　一个ESD等级标注为8kV的设备，可能会使2kV或者更低的系统级测试失败。有时，一个标注为15kV的器件对系统提供的保护可能还不如一个8kV的器件。大多数系统设计者用来比较ESD器件的主要参数根本无法显示实际的系统层次的性能。
　　系统IC常常会因为过电压、过电流或者同时受到两者的作用而受损。很多系统设计者都知道连续电压会使IC遭到损伤，却没有意识到大电流往往是ESD损伤的真正原因。

图1 在传统的ESD保护体系中，静电放电保护与信号的完整性是一对矛盾

　　ESD保护器件可以将大部分电流引入地下，并且将作用于ASIC之上的电压限制在击穿电压之内。理论上，我们可以通过比较它们的钳位电压和剩余电流（未被ESD器件分流的电流），来比较ESD器件的性能。但是，实际情况却远不是如此。
　　钳位电压
　　在实际测试中，厂家所发布的钳位电压是在给器件施加一个上升时间为 8μs，持续20μs的脉冲的情况下确定的。
　　大多数产品数据表所示的钳位电压都是通过对器件施加1A脉冲确定的，有时也会采用电流强度更高的脉冲。这种脉冲可重复获得，并易于测量，因此被广泛采用。但不幸的是，这种脉冲并不等价于ESD脉冲。ESD脉冲只有1ns的上升时间，持续60ns。除此之外，IEC 61000-4-2第4级电击中，峰值电流为30Ａ的钳位电压和在1A脉冲作用下也有很大区别。
　　采用标准1A脉冲，大多数半导体ESD保护二极管的钳位电压一般都会标注在8～15V之间。但在8kV的IEC 61000－4－2标准测试中，这些二极管的峰值钳位电压则会达到50～100V，这是由二极管的其他特征，如动态电阻值所决定的。
　　有一些ESD制造商还会提供ESD脉冲波形图，但是这同样很容易让人误解。例如，制造商经常采用衰减器来保护测试仪器不受损伤。可是数据表中的波形图并没有将衰减器的影响包括在内，这会使标注的钳位电压存在5～10倍的误差。
　　虽然不能仅仅通过大多数数据表上提供的钳位电压来比较ESD的性能，但是，通过仔细阅读分析它，我们却可以了解器件的相对性能。
　　其他因素
　　被保护ASIC的钳位电压基于几项因素，包括ESD二极管的击穿电压，二极管的动态电阻以及流过二极管的电流量。虽然数据表上标注的钳位电压并不准确（通过对其施加8～20μs的脉冲电压来实现，与实际ESD脉冲有很大区别），但是我们同样可以恰当地利用它们来比较器件的性能。
　　在简化模型中，钳位电压会随着电流线性增加，这个函数的斜率就是二极管的动态电阻。
　　大多数ESD器件制造商都会提供1A钳位电压值，动态电阻值，或者两个不同电流强度时的钳位电压值。这样，我们很容易就能计算出器件的动态电阻。例如，一个器件在1A电流下的钳位电压为10V，而在5A电流下钳位电压为15V，那它的动态电阻就等于(15-10)/(5-1)=1.25Ω
　　动态电阻值是确定实际钳位电压时最重要的因素。考虑两种器件，一个在1.0A电流强度下具有8V钳位电压的器件，一个在1.0A电流强度下具有10V钳位电压的器件，哪一个在ESD冲击中的表现会更好？
　　8V的钳制也许看起来会更好，但这或许不是真的。假如Ｂ器件（10V钳位电压）的动态电阻仅为1Ω，而8V钳位电压器件的动态电阻达到了2Ω，那么30A的电流下，Ａ器件的钳位电压就为8＋29×2＝66V，而器件Ｂ却为10 + 29×1 = 39 V。这样Ｂ就成为更好的选择。
　　通过ASIC的电流大小也与保护电路的动态电阻有关。当电路的动态电阻增加时，被保护器件中的电流也会成比例增加，从而导致ESD损伤的可能性增大。
　　设计者应该选择一种保护器件，使它分流尽可能多的电流，并使通过ASIC的剩余电流尽可能的减小。这个电流会随着系统的不同而不同，所以不能按数据表上的值照搬。不幸的是，很多情况下，ESD保护器件制造商不会为用户提供直接的动态电阻值。不过这可以通过几组钳位电压值来估计。
　　通常，ESD二极管的动态电阻在1～3Ω之间，而变阻器和干扰抑制器之类的其他器件的动态电阻则有20～40Ω。可见，ESD二极管是静电放电保护的最好选择。

传统的ESD保护措施

　　图1所示是发生击穿时，传统的、单级ESD保护器件所起的作用。其中包括：（1）电压被钳制在一个较低的水平，以尽量减小ASIC两端的电压。（2）保护器件将电流旁路至地面，避开了ASIC元件。（3）ESD电击结束后，保护器件将恢复到高阻状态。有些器件，比如聚合物，可能需要24小时才能恢复到初始状态，所以理解这个特性非常重要。

　　减小ESD保护器件的动态电阻将会减小ASIC两端的钳位电压，并会减小漏电流。随着最新的ASIC元件越来越敏感，传统的ESD保护方案已经无法为一些ASIC提供足够的保护。

　　新型解决方案

　　CMD的PicoGuard XP等方案的特点是一种创新的两级设计，将两级ESD保护和电阻串联，放在同一个封装内，以减少到达ASIC的电流。它的工作原理如下：

　　● 系统从第一级开始钳制。第一级的漏电流通过串联电阻进入系统的第二级。

　　● 第一级漏电流中的大部分都被第二级从连接到ASIC的通路中分流，与单钳制保护架构相比，这样做显著减少了ASIC处的电流。通过这种二级钳制，同样也可以减小钳位电压。

　　在一个例子中，采用CM1231，ASIC的钳位电压从传统ESD二极管的6kV以下增加到10kV以上。CM1231是首例采用PicoGuard XP构架的器件。