超小型ESD保护器件在便携设备上的应用

        一、前言
ESD被认为是电子产品质量最大的潜在杀手，影响产品的可靠性，静电防护也就成为电子产品质量控制的一项重要内容。最有效的ESD保护方法是设备的连接器或端口处放置外部保护元件。
0201尺寸的硅基ESD器件比上一代0402型的器件大约缩小了70%，能够为手机、MP3播放器、PDA和数码相机等便携式电子产品提供保护和提高其可靠性。上海英联电子推出的UM5051/5052是一款低容值（12pF）的ESD保护器件，实际大小仅为0.6mm x 0.3mm x 0.3mm，为设计师们在空间受限的应用中提供了灵活性。双向保护消除了在PCB板上安装时的方向限制，而且也不会损失负电平信号。
二、UM5051/5052的重要参数
英联的UM5051、UM5052具有低漏电流、低容值、低钳位电压等特点，DFN的封装可以有效的降低抛料率，降低成本，增加贴片效率。0201的超小封装，其ESD抗冲击性能达到了IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (空气)和±25kV(接触)的标准。主要参数如表1所示：


表1 特性参数表


为方便理解参数，图1为单向ESD保护管的特性曲线图。


图1：单向ESD保护管特性曲线图


图2：ESD放电波形图

1、击穿电压VBR（Reverse Breakdown Voltage）：在指定测试电流下ESD保护管发生雪崩击穿时的电压，它是ESD保护管最小的击穿电压。为了满足IEC61000-4-2标准，ESD保护管必须达到可以处理最小8kV(接触)和15kV(空气)的冲击，有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。上海英联电子的UM5051、UM5052，达到了IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (空气)和±25kV(接触)的标准。


       
2、反向关断电压VRWM(Reverse Peak Working Voltage)和反向漏电流ID(Reverse Leakage
Current)：指ESD保护管最大连续工作的直流或脉冲电压。UM5051/UM5052的VRWM值为5V，可以保护工作电压为5V的芯片。其反向漏电流小于1μA，对产品的功耗几乎没有影响。
3、箝位电压VC(Clamping Voltage)和最大峰值脉冲电流IPP(Maximum Reverse Peak Pulse Current)。当持续时间为20mS的脉冲峰值电流IPP流过ESD保护管时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。
  


图3：ESD钳位电压波形图

4、额定脉冲功率Pppm（Peak Power Dissipation），指ESD保护管在指定结温下所能承受的最大峰值脉冲功率。
5、电容量C（Capacitance）。电容量C是由保护管的雪崩结截面决定的，是在特定的1MHz 频率下测得的。电容值太大将使信号衰减。高频回路一般选择电容应尽量小，当频率>100MHz时，C必须


       
三、ESD保护器件的种类
1、单向保护
下图为单向保护示意图，当干扰脉冲信号超过VRWM时，超过的部分被释放掉。

单向ESD保护管UM5051的反向端接被保护的线路，正向端接地。释放掉反向端输入的超过VRWM的ESD脉冲，使得脉冲高压不能进入到IC，从而起到保护IC的作用。


图6：单向保护示意图

2、双向保护
双向ESD保护管一端接要保护的线路，一端接地，无论来自反向还是来自正向的脉冲均被释放，更有效地保护了IC。下图为双向ESD保护器件UM5052的双向保护示意图。


图7：双向保护示意图



       
四、ESD应用举例
1、手机SIM卡线路保护
目前手机空间越来越有限，往往矩阵式的ESD保护管限制了走线，英联推出的0201超小封装ESD保护管UM5051使PCB的布局更加灵活，为设计师节省了宝贵的空间。而SIM卡属于经常热插拔器件，要避免使器件工作在其设计参数极限附近，还应根据被保护回路的特征及可能承受ESD冲击的特征选用反应速度足够快、敏感度足够高的器件，这对于有效发挥保护器件的作用十分关键。


图8：手机SIM卡ESD保护应用

2、便携产品音频数据线路保护
便携类产品以体积小备受消费者喜爱，在音频数据线路保护方面，英联推出的UM5052单路双向ESD保护管，0201的超小封装为设计师在有限的布板空间中提供了灵活性。由于音频信号传输速率比较低，因此对器件电容的要求不太高，100pF左右都是可以接受的。


图9：便携类产品音频数据ESD保护应用

3、 穿戴式产品按键线路保护
对于穿戴式产品来说，小巧、轻便、可靠性是设计师考虑的重点。人体的静电放电产品的影响就显得尤为重要了，按键和开关回路这些回路的数据率很低，对器件的电容没有特殊要求。英联推出的UM5051为此类产品提供了灵活简单的布线，而且其ESD抗冲击能力也达到了IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (空气)和±25kV(接触)的标准。
  除此之外，小型模块类的数据线路接口、WIFI模块、蓝牙模块、3G模块等，都非常适合使用0201封装的ESD，为产品提供可靠性的同时，也节省了印制板的空间。


       
五、0201封装ESD使用注意事项
1、ESD器件应与接口尽量接近，与被保护线路尽量接近，这样才会减少自感耦合到其它邻近线路上的机会。
2、尽量避免在保护线路附近走比较关键的信号线，尽量将接口安排在同一个边上。
3、避免被保护回路和未实施保护的回路并联，将接口信号线路和接地线路直接接到保护器件上，然后再进入回路的其它部分，将复位、中断、控制信号远离输入/输出口，远离PCB 的边缘。
4、各类信号线及其馈线所形成的回路，环绕面积要尽量小，必要时可考虑改变信号线或接地线的位置。
5、尽可能多的增加接地点。
6、静电电流通向电源模块的地要足够大和宽，通道要直接和通畅。一般要保证>=3mm，而且越宽越好。