付出正确的电路保护费

　　摘要：本文通过采用合适的过电流和过电压保护元件，生产商可保证其产品成为用户生活不可或缺的一部分。选择正确的保护元件也保证了各应用产品符合安全和功能因素相关的规章条例的要求。
　　许多用户都没有意识到他们自己每天在使用的电子设备存在着最大的风险。电路保护是所有电子设备必有的特性——不论是车载、家用或是工用电子设备——因为只要人体接触含敏感电子半导体的器件，就会出现ESD(静电放电)现象。
　　如果周围的空气特别干燥，比如天气正好非常炎热或非常寒冷，刚把手从汽车方向盘后移开时，若触碰到金属车门，就会有电击感。这种电击感，对司机来说不过是无伤大雅的不适感，但对敏感电子设备来说，其影响要大得多。想象一下，当拿起手机或平板电脑，却发现有些按键或数据端口失灵了。现实生活中凡此种种令人头痛的事情，可能就是由于电子器件而非车体金属遭受类似的电击而导致的直接后果。
　　虽然静电放电(ESD)不会导致手机“爆炸”之类的灾难性事故，但是没有静电放电(ESD)保护，手机很可能难以对键盘或按钮输入做出有效反应。同样，静电放电(ESD)损伤会导致USB或以太网之类的接口端口在与其他设备连接时难以发挥正常的功效。
　　1 静电放电(ESD)背后的物理学
　　ESD(静电放电)事件均可追溯为称作摩擦带电的现象，两种材料彼此接触而后迅速分开即可产生摩擦带电现象。由于两种材料的电子发生转移，一个积聚正电荷，另一个积聚负电荷。电荷的产生了取决于数种因素，包括接触面积、分离速度、相对温度和材料化学性质。尽管这种过程每天发生数千次，但却无人注意，除非放电量足够大，致使人体感到轻微短暂的不适，例如横过地毯或抓握门把手。生成的电荷电压从数百伏到数万伏不等。表1所示即为产生静电荷电压的实例。


　　鉴于半导体芯片的尺寸变得越来越微型化，静电放电(ESD)影响已成为当今尖端但成本敏感的电子消费产品难以解决的问题。如今，能够提供ESD保护的构件太大，并且在成本上与构成集成电路组件的硅集成电路(IC)关系较大。其结果是，集成电路(IC)供应商移除或大大缩减内置ESD保护电路部分。问题是，集成电路一旦组装到电子消费产品中，离开了生产时的受控环境，它们很可能会受到未受控制的ESD事件的影响。
　　此外，尽管集成电路(IC)生产商在历史上曾使用特别是与生产环境有关的ESD测试模型(MIL-STD-883、方法3015：人体模型)，但设备生产商——对业内ESD事件有所考虑——却使用IEC(国际电工委员会)规定的更为严苛的模型，即IEC 61000-4-2标准。本文中，多数集成电路(IC)供应商在500V下利用人体模型(HBM)对其产品进行测试，而终端用户设备生产商根据IEC 61000-4-2标准在8000V(或以上)下进行测试。
　　表1比较了多数芯片组供应商使用的HBM(人体模型)ESD电流，他们以此预防IEC 61000-4-2列举的环境ESD事件，这些事件多数用户会在不觉间引入电子消费器件。
　　很明显，最坏情况下的HBM ESD峰值电流远远低于IEC 61000-4-2规定的最坏情况下ESD峰值电流(见表2加粗的数字)。
　　与HBM所述的8kV事件相比，IEC 61000-4-2规定的8kV事件暗指电流为其5.6倍。芯片组能够通过HBM测试的——用于生产环境——不能保证适应实际应用，因为ESD的影响更加严重。最后，如前文所述，大多数集成电路(IC)供应商利用人体模型仅测试到500V。如果在实际应用中暴露在8kV ESD瞬变电压中，芯片组面临的电流会增加近100倍，除非集成电路(IC)设计包含ESD保护，否则这种程度的电流足以决定芯片组的命运。


　　近年来，应用测试要求越来越严苛，以致于8kV ESD事件如今已成为最低水平。测试等级正在向20kV、甚至30kV发展，但同时，集成电路(IC)供应商却在芯片组设计中取消了电路保护，从而释放硅元面积，以提供更多功能。以下数字表明了芯片组内置ESD水平和在实际应用中可能遭受的ESD影响水平之间的差距，强烈反映出不断增长的需求对于追加ESD保护的需要。
                               
                　　2 保护很重要
　　如果想要电子消费产品抵抗住ESD事件，继续按原设计发挥功效，至关重要的是选择正确的ESD保护器件——通称称作瞬态电压抑制二极管(TVS)阵列。动态电阻是需要考虑的关键性ESD保护参数之一，甚至可能是选择保护元件的最重要的参数。任意一种保护解决方案都具有与其箝制电压特性相关的固有电阻值。理想情况下，固有电阻应最低，以保证保护解决方案在发生浪涌时具备最低阻抗接地回路。
　　图2原理图描述了这个问题。在ESD事件中，箝制器件打开，从高阻抗标称状态变为低阻抗。如果串联电阻较高，保护元件生成高电压(V=IR)，即集成电路(IC)受到的有效保护降低。如果串联电阻较低，保护元件生成的电压也会降低，反过来降低集成电路(IC)受ESD影响的程度。这种较低的动态电阻(箝制模式下保护元件的电阻值)使得大部分浪涌电流绕开集成电路(IC)而接地，如图2所示。力特TVS二极管阵列专为获得最低动态电阻值而设计，因而能够将保护元件的总体压降减至最低，把流经保护元件而非保护性集成电路的电流增至最大。


　　一般来说，较之于诸如聚合体或陶瓷之类的技术，由于本身具有较低的动态电阻，半导体保护器件能够提供最好的ESD保护。通常，半导体类元件的动态电阻范围为0.2?~3.0?，具体取决于供应商的产品设计，而陶瓷解决方案(电容相同)所提供的动态电阻的范围平均为2?~5?。
　　图3的曲线显示了各元件通入8kV ESD瞬变时，硅元件及其相应的压敏电阻之间允通能量的差异，着重强调了前缘开启电压和最终箝制电压之间的差异。曲线(箭头)之间的面积从集成电路(IC)和芯片组必须要抵抗多少能量才能防止潜在损伤或过早失效方面表现了两种元件之间的差异。