超小型ESD保護器件在便攜設備上的應用

一、前言

ESD被認為是電子產(chǎn)品質量最大的潛在殺手，影響產(chǎn)品的可靠性，靜電防護也就成為電子產(chǎn)品質量控制的一項重要內(nèi)容。最有效的ESD保護方法是設備的連接器或端口處放置外部保護元件。

0201尺寸的硅基ESD器件比上一代0402型的器件大約縮小了70%，能夠為手機、MP3播放器、PDA和數(shù)碼相機等便攜式電子產(chǎn)品提供保護和提高其可靠性。上海英聯(lián)電子推出的UM5051/5052是一款低容值(12pF)的ESD保護器件，實際大小僅為0.6mm x 0.3mm x 0.3mm，為設計師們在空間受限的應用中提供了靈活性。雙向保護消除了在PCB板上安裝時的方向限制，而且也不會損失負電平信號。

二、UM5051/5052的重要參數(shù)

英聯(lián)的UM5051、UM5052具有低漏電流、低容值、低鉗位電壓等特點，DFN的封裝可以有效的降低拋料率，降低成本，增加貼片效率。0201的超小封裝，其ESD抗沖擊性能達到了IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (空氣)和±25kV(接觸)的標準。主要參數(shù)如表1所示：

表1 特性參數(shù)表

為方便理解參數(shù)，圖1為單向ESD保護管的特性曲線圖。

圖1：單向ESD保護管特性曲線圖

圖2：ESD放電波形圖

1、擊穿電壓VBR(Reverse Breakdown Voltage)：在指定測試電流下ESD保護管發(fā)生雪崩擊穿時的電壓，它是ESD保護管最小的擊穿電壓。為了滿足IEC61000-4-2標準，ESD保護管必須達到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的沖擊，有的半導體生產(chǎn)廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標準。上海英聯(lián)電子的UM5051、UM5052，達到了IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (空氣)和±25kV(接觸)的標準。

2、反向關斷電壓VRWM(Reverse Peak Working Voltage)和反向漏電流ID(Reverse Leakage

Current)：指ESD保護管最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓。UM5051/UM5052的VRWM值為5V，可以保護工作電壓為5V的芯片。其反向漏電流小于1μA，對產(chǎn)品的功耗幾乎沒有影響。

3、箝位電壓VC(Clamping Voltage)和最大峰值脈沖電流IPP(Maximum Reverse Peak Pulse Current)。當持續(xù)時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過ESD保護管時，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。

圖3：ESD鉗位電壓波形圖

4、額定脈沖功率Pppm(Peak Power Dissipation)，指ESD保護管在指定結溫下所能承受的最大峰值脈沖功率。

5、電容量C(Capacitance)。電容量C是由保護管的雪崩結截面決定的，是在特定的1MHz 頻率下測得的。電容值太大將使信號衰減。高頻回路一般選擇電容應盡量小，當頻率>100MHz時，C必須

三、ESD保護器件的種類

1、單向保護

下圖為單向保護示意圖，當干擾脈沖信號超過VRWM時，超過的部分被釋放掉。

單向ESD保護管UM5051的反向端接被保護的線路，正向端接地。釋放掉反向端輸入的超過VRWM的ESD脈沖，使得脈沖高壓不能進入到IC，從而起到保護IC的作用。

圖6：單向保護示意圖

2、雙向保護

雙向ESD保護管一端接要保護的線路，一端接地，無論來自反向還是來自正向的脈沖均被釋放，更有效地保護了IC。下圖為雙向ESD保護器件UM5052的雙向保護示意圖。

圖7：雙向保護示意圖

四、ESD應用舉例

1、手機SIM卡線路保護

目前手機空間越來越有限，往往矩陣式的ESD保護管限制了走線，英聯(lián)推出的0201超小封裝ESD保護管UM5051使PCB的布局更加靈活，為設計師節(jié)省了寶貴的空間。而SIM卡屬于經(jīng)常熱插拔器件，要避免使器件工作在其設計參數(shù)極限附近，還應根據(jù)被保護回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征選用反應速度足夠快、敏感度足夠高的器件，這對于有效發(fā)揮保護器件的作用十分關鍵。

圖8：手機SIM卡ESD保護應用

2、便攜產(chǎn)品音頻數(shù)據(jù)線路保護

便攜類產(chǎn)品以體積小備受消費者喜愛，在音頻數(shù)據(jù)線路保護方面，英聯(lián)推出的UM5052單路雙向ESD保護管，0201的超小封裝為設計師在有限的布板空間中提供了靈活性。由于音頻信號傳輸速率比較低，因此對器件電容的要求不太高，100pF左右都是可以接受的。

圖9：便攜類產(chǎn)品音頻數(shù)據(jù)ESD保護應用

3、 穿戴式產(chǎn)品按鍵線路保護

對于穿戴式產(chǎn)品來說，小巧、輕便、可靠性是設計師考慮的重點。人體的靜電放電產(chǎn)品的影響就顯得尤為重要了，按鍵和開關回路這些回路的數(shù)據(jù)率很低，對器件的電容沒有特殊要求。英聯(lián)推出的UM5051為此類產(chǎn)品提供了靈活簡單的布線，而且其ESD抗沖擊能力也達到了IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (空氣)和±25kV(接觸)的標準。

除此之外，小型模塊類的數(shù)據(jù)線路接口、WIFI模塊、藍牙模塊、3G模塊等，都非常適合使用0201封裝的ESD，為產(chǎn)品提供可靠性的同時，也節(jié)省了印制板的空間。

五、0201封裝ESD使用注意事項

1、ESD器件應與接口盡量接近，與被保護線路盡量接近，這樣才會減少自感耦合到其它鄰近線路上的機會。

2、盡量避免在保護線路附近走比較關鍵的信號線，盡量將接口安排在同一個邊上。

3、避免被保護回路和未實施保護的回路并聯(lián)，將接口信號線路和接地線路直接接到保護器件上，然后再進入回路的其它部分，將復位、中斷、控制信號遠離輸入/輸出口，遠離PCB 的邊緣。

4、各類信號線及其饋線所形成的回路，環(huán)繞面積要盡量小，必要時可考慮改變信號線或接地線的位置。

5、盡可能多的增加接地點。

6、靜電電流通向電源模塊的地要足夠大和寬，通道要直接和通暢。一般要保證>=3mm，而且越寬越好。