高速電路的ESD保護(hù)最佳設(shè)計(jì)方案

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

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

這個(gè)問題非常嚴(yán)重，以至于歐盟(European Union)已經(jīng)為任何在經(jīng)濟(jì)區(qū)銷售的商品制定了特殊的ESD抑制標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在設(shè)計(jì)工程師必須為當(dāng)今更敏感的半導(dǎo)體提供有效的ESD保護(hù)。

不幸地是，這項(xiàng)任務(wù)經(jīng)常遵循事后回想的設(shè)計(jì)原則：首先搭建沒有額外過壓瞬間抑制的電路，依靠板上的IC來進(jìn)行保護(hù)。如果測試能顯示在原型階段的靈敏度，那么就加上保護(hù)器件。如果這種方法被采用來滿足當(dāng)今更低放大電壓，增加頻率和更低噪聲的要求的話，整個(gè)設(shè)計(jì)必須最優(yōu)的并是集成的。在末端增加保護(hù)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(jù)充電過程類型和瞬態(tài)電泳嚴(yán)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(jī)器模型(MM)。這些模型定義了瞬變效應(yīng)的類型，因此設(shè)計(jì)工程師們就可以定義明確的半導(dǎo)體過壓芯片瞬變等級靈敏度，以及芯片及裝配產(chǎn)品測試規(guī)程。利用這些模型，電路設(shè)計(jì)工程師可以測試芯片和產(chǎn)品的ESD保護(hù)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的電容通過一個(gè)1500Ω的電阻向器件放電來表示的。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)版本是軍用規(guī)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(biāo)準(zhǔn)，定義為150pF電容通過一個(gè)330Ω電阻放電(圖1b)。這是歐盟對在其區(qū)域內(nèi)商品銷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(shè)計(jì)工程師可以使測試過程適合他們所期望的具體應(yīng)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(yīng)用更多的脈沖和更高的峰值電流(見表格)。

最近，電路設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)正在通過一定數(shù)量的瞬間電壓抑制器(TVS)器件增加保護(hù)。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)、氣體電子管和簡單的火花隙。

這類器件被放置在輸入端和地之間。當(dāng)輸入電壓達(dá)到引起它們“開路”或?qū)ǖ乃綍r(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導(dǎo)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(dá)到敏感的IC。

但是ESD抑制器件也有著其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，隨著新一代高速電路的出現(xiàn)，一些缺點(diǎn)被放大了。例如，TVS必須迅速響應(yīng)到來的浪涌電壓。浪涌電壓在0.7ns達(dá)到8KV(或更高)峰值時(shí)，TVS器件的觸發(fā)或調(diào)整電壓(與輸入線平行)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(hù)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(qū)動(dòng)的器件來說是致命的。

每個(gè)器件有其自身的差異。氣體放電管可通過大電流，但是響應(yīng)速度很慢。它們也會(huì)老化且不能恢復(fù)。MOV能為高速電路提供相對緩慢的導(dǎo)通響應(yīng)。硅二極管的觸發(fā)響應(yīng)速度非常快，導(dǎo)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(yīng)就越大。全新的ESD變壓器件是當(dāng)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(fù)。

現(xiàn)在考慮成本因素。設(shè)計(jì)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。

過去幾個(gè)主要的設(shè)計(jì)因素簡化了ESD抑制器問題。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保護(hù)速度不那么重要。同時(shí)，阻抗更高線路和引腳元件的電路、金屬更多的封裝以及更少的外部節(jié)點(diǎn)，也使事情變得更加簡單。

但是電子行業(yè)已發(fā)生變化。消費(fèi)電信行業(yè)在發(fā)生爆炸式發(fā)展，出現(xiàn)了更多的手持設(shè)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(hù)的高容量無源器件帶來設(shè)計(jì)失真問題。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(jié)點(diǎn)的加熱/融化)響應(yīng)的靈敏度。同時(shí)，新型高頻數(shù)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說降低成本是主要目標(biāo)。因此，有效的ESD抑制器應(yīng)為設(shè)計(jì)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(hù)新型消費(fèi)電子的音頻和視頻I/O線路以及RF連接端口，而無需犧牲性能;

保護(hù)新型通信連接硬件;

在很廣的工作頻率范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的器件特性;

在工作頻率為數(shù)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(hù)，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)線上;

在各種可選擇的器件中，最好是在無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(dǎo)線長度應(yīng)該減到最小，因?yàn)榭焖?0.7ns)ESD脈沖可能產(chǎn)生導(dǎo)致TVS保護(hù)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(dǎo)線間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果上述情況發(fā)生，由于將不會(huì)得到保護(hù)，因?yàn)楦袘?yīng)電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達(dá)IC的路徑。因此，被保護(hù)的輸入線不應(yīng)該被放置在其它單獨(dú)、未受保護(hù)的走線旁邊。推薦的ESD抑制器件PCB布局方案應(yīng)該是：放置在被保護(hù)的IC之前，但盡量與連接器/觸點(diǎn)PCB側(cè)盡量近這; 放置在與信號線串聯(lián)任何電阻之前; 放置在包含保險(xiǎn)絲在內(nèi)的過濾或調(diào)節(jié)器件之前; 放置在IC之前的其他可能有ESD的地方。