提高可靠性的ESD保护考虑

增加产品特性、减小产品尺寸一直是手持产品的设计人员所面临的挑战。当手机、数码相机、MP3播放器和PDA等产品提供更多的功能时，它们的I/O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。此外，由于特性的增加和多功能的集成，IC设计对ESD更加敏感。设计人员须应对此挑战，使IC尽可能提供最有效的ESD保护，同时还要为额外的保护元件减小占板空间和成本。

设计人员为电路选择合适的保护元件时必须做出一些考虑。ESD保护二极管的主要功能在于增加手持产品的可靠性。保护元件可提供的可靠性由长时间内元件保护特定应用，并参考其不干扰器件功能的程度来确定。公认的波形定义系统级典型ESD事件是IEC61000-4-2波形，其特点是快速上升时间小于1ns(见图1)。此波形的规格需要四个不同的ESD幅度水平。大多数设计人员需要对产品进行最严格的检测，保证其接触放电为8kV。

当设计人员为电路选择保护元件，提高其可靠性时，可能需回答以下问题：

1. 电容要求和所保护的线路ESD情况如何？

2. 保护器件钳制ESD脉冲的电压是多少？

3. 器件的长期性能如何？

电容要求和所保护的线路ESD情况如何？

确定合适的ESD保护器件时，必须考虑的第一个问题是保护线路的速度是多少？对于高速线路(如USB2.0)需要小电容二极管确保无损信号的完整性。本文将专注于公共应用(如速度较低的键盘、侧键和电源线)，因此不需要小电容。

许多低速应用受到最严重的ESD情况影响。按钮等应用受到的ESD冲击最多，因为在正常使用中他们被触摸的频率高于其它应用。因此，与便携式器件上的其它应用相比，这些应用受到最严格ESD脉冲的频率较高。此外，当便携式设计变得越来越小，按钮越接近IC，ESD越容易与电路耦合。对于这种恶劣的环境，采用提供足够钳制特性的ESD保护器件，确保IC不受损是最重要的。但是因为空间受限，许多设计没有容纳ESD保护器件的足够空间。因为它们的尺寸小和有限的ESD钳制功能，两种在低速线路上最常用的ESD保护解决方案是压敏电阻器和硅ESD保护器件。本文将比较这两种器件的差别。

保护器件钳制ESD脉冲的电压是多少？

确定特定应用的最佳保护器件时，设计人员必须考虑ESD保护器件钳制输入ESD事件的方法。ESD保护器件的目的是降低8kV IEC61000-4-2接触输入到所保护IC的安全电压。较小的钳制电压在IC上通过的能量越小，对受保护的IC损坏的机率也越小。受到ESD脉冲输入的器件上的电压波形显示器件的钳位特性。钳位电压定义为保护器件启动后，ESD波形电平关闭的电压。注意到对于一些器件没有明显的电平关闭电压。但是，电压波形以下的面积与IC在ESD事件中受到的能量成正比，因此在比较两种保护器件时这是最重要的因素。

为了比较硅ESD保护器件和压敏电阻器的钳位特性，必须选择两种用于相同应用的元件。它们的封装尺寸、工作电压必须相似，而且电容范围须适合应用。目前，最常见的封装尺寸和最小的单线ESD保护是0402尺寸的器件，面积大约为1mmx0.6mm。便携式应用中的大多数低速线路是0到5V范围内的直流线路，因此它们要求的工作电压在5到6V之间。对于低速线路，电容超过50pF是可以接受的。符合上述要求的两个元件是安森美半导体的ESD9X5.0ST5G ESD保护元件和Amotech的AVLC5S02100压敏电阻器的压敏电阻器。两者的尺寸都是0402，电容超过50pf，而且工作电压在5~6V之间。

比较这些器件性能的最好方法是在IEC61000-4-2 8kV接触脉冲作为器件输入时，观察元件的钳位特性。图2在同一张图中显示了每个元件对于正负ESD脉冲的响应。

图1：IEC61000-4-2波形，其特点是快速上升时间小于1ns

图2：每个元件对于正负ESD脉冲的响应

从图2的屏幕截图中，硅解决方案(蓝色波形)的ESD脉冲钳位电压与压敏电阻器解决方案相比明显低得多(黑色波形)。安森美半导体的硅器件钳制ESD脉冲仅高于和低于直流电平(0~5V)，于线路的正脉冲为6.8V，负脉冲为1.6V。压敏电阻器件没有真正的钳位机制，但从ESD脉冲响应来看，此技术的吸收效应比硅器件的钳位效应更大，逐渐下降到安全电平。这种缓慢的下降可以使脉冲曲线下的面积更大，所以IC的能量更大。通过压敏电阻器得到的额外能量比采用硅器件而损坏IC的风险更大。

器件的长期性能如何？

大多数采用低速线路的应用每天在正常使用中都受到许多ESD脉冲。因此，选择可以承受许多脉冲而不影响系统性能的保护器件是重要的。为了让ESD器件不干扰系统功能，它一定不能在正常工作中导通，但是当产生