付出正確的電路保護(hù)費(fèi)

　　摘要：本文通過(guò)采用合適的過(guò)電流和過(guò)電壓保護(hù)元件，生產(chǎn)商可保證其產(chǎn)品成為用戶(hù)生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護(hù)元件也保證了各應(yīng)用產(chǎn)品符合安全和功能因素相關(guān)的規(guī)章條例的要求。

　　許多用戶(hù)都沒(méi)有意識(shí)到他們自己每天在使用的電子設(shè)備存在著最大的風(fēng)險(xiǎn)。電路保護(hù)是所有電子設(shè)備必有的特性——不論是車(chē)載、家用或是工用電子設(shè)備——因?yàn)橹灰梭w接觸含敏感電子半導(dǎo)體的器件，就會(huì)出現(xiàn)ESD(靜電放電)現(xiàn)象。

　　如果周?chē)目諝馓貏e干燥，比如天氣正好非常炎熱或非常寒冷，剛把手從汽車(chē)方向盤(pán)后移開(kāi)時(shí)，若觸碰到金屬車(chē)門(mén)，就會(huì)有電擊感。這種電擊感，對(duì)司機(jī)來(lái)說(shuō)不過(guò)是無(wú)傷大雅的不適感，但對(duì)敏感電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，其影響要大得多。想象一下，當(dāng)拿起手機(jī)或平板電腦，卻發(fā)現(xiàn)有些按鍵或數(shù)據(jù)端口失靈了。現(xiàn)實(shí)生活中凡此種種令人頭痛的事情，可能就是由于電子器件而非車(chē)體金屬遭受類(lèi)似的電擊而導(dǎo)致的直接后果。

　　雖然靜電放電(ESD)不會(huì)導(dǎo)致手機(jī)“爆炸”之類(lèi)的災(zāi)難性事故，但是沒(méi)有靜電放電(ESD)保護(hù)，手機(jī)很可能難以對(duì)鍵盤(pán)或按鈕輸入做出有效反應(yīng)。同樣，靜電放電(ESD)損傷會(huì)導(dǎo)致USB或以太網(wǎng)之類(lèi)的接口端口在與其他設(shè)備連接時(shí)難以發(fā)揮正常的功效。

　　1 靜電放電(ESD)背后的物理學(xué)

　　ESD(靜電放電)事件均可追溯為稱(chēng)作摩擦帶電的現(xiàn)象，兩種材料彼此接觸而后迅速分開(kāi)即可產(chǎn)生摩擦帶電現(xiàn)象。由于兩種材料的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，一個(gè)積聚正電荷，另一個(gè)積聚負(fù)電荷。電荷的產(chǎn)生了取決于數(shù)種因素，包括接觸面積、分離速度、相對(duì)溫度和材料化學(xué)性質(zhì)。盡管這種過(guò)程每天發(fā)生數(shù)千次，但卻無(wú)人注意，除非放電量足夠大，致使人體感到輕微短暫的不適，例如橫過(guò)地毯或抓握門(mén)把手。生成的電荷電壓從數(shù)百伏到數(shù)萬(wàn)伏不等。表1所示即為產(chǎn)生靜電荷電壓的實(shí)例。

　　鑒于半導(dǎo)體芯片的尺寸變得越來(lái)越微型化，靜電放電(ESD)影響已成為當(dāng)今尖端但成本敏感的電子消費(fèi)產(chǎn)品難以解決的問(wèn)題。如今，能夠提供ESD保護(hù)的構(gòu)件太大，并且在成本上與構(gòu)成集成電路組件的硅集成電路(IC)關(guān)系較大。其結(jié)果是，集成電路(IC)供應(yīng)商移除或大大縮減內(nèi)置ESD保護(hù)電路部分。問(wèn)題是，集成電路一旦組裝到電子消費(fèi)產(chǎn)品中，離開(kāi)了生產(chǎn)時(shí)的受控環(huán)境，它們很可能會(huì)受到未受控制的ESD事件的影響。

　　此外，盡管集成電路(IC)生產(chǎn)商在歷史上曾使用特別是與生產(chǎn)環(huán)境有關(guān)的ESD測(cè)試模型(MIL-STD-883、方法3015：人體模型)，但設(shè)備生產(chǎn)商——對(duì)業(yè)內(nèi)ESD事件有所考慮——卻使用IEC(國(guó)際電工委員會(huì))規(guī)定的更為嚴(yán)苛的模型，即IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。本文中，多數(shù)集成電路(IC)供應(yīng)商在500V下利用人體模型(HBM)對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，而終端用戶(hù)設(shè)備生產(chǎn)商根據(jù)IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)在8000V(或以上)下進(jìn)行測(cè)試。

　　表1比較了多數(shù)芯片組供應(yīng)商使用的HBM(人體模型)ESD電流，他們以此預(yù)防IEC 61000-4-2列舉的環(huán)境ESD事件，這些事件多數(shù)用戶(hù)會(huì)在不覺(jué)間引入電子消費(fèi)器件。

　　很明顯，最壞情況下的HBM ESD峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IEC 61000-4-2規(guī)定的最壞情況下ESD峰值電流(見(jiàn)表2加粗的數(shù)字)。

　　與HBM所述的8kV事件相比，IEC 61000-4-2規(guī)定的8kV事件暗指電流為其5.6倍。芯片組能夠通過(guò)HBM測(cè)試的——用于生產(chǎn)環(huán)境——不能保證適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)镋SD的影響更加嚴(yán)重。最后，如前文所述，大多數(shù)集成電路(IC)供應(yīng)商利用人體模型僅測(cè)試到500V。如果在實(shí)際應(yīng)用中暴露在8kV ESD瞬變電壓中，芯片組面臨的電流會(huì)增加近100倍，除非集成電路(IC)設(shè)計(jì)包含ESD保護(hù)，否則這種程度的電流足以決定芯片組的命運(yùn)。

　　近年來(lái)，應(yīng)用測(cè)試要求越來(lái)越嚴(yán)苛，以致于8kV ESD事件如今已成為最低水平。測(cè)試等級(jí)正在向20kV、甚至30kV發(fā)展，但同時(shí)，集成電路(IC)供應(yīng)商卻在芯片組設(shè)計(jì)中取消了電路保護(hù)，從而釋放硅元面積，以提供更多功能。以下數(shù)字表明了芯片組內(nèi)置ESD水平和在實(shí)際應(yīng)用中可能遭受的ESD影響水平之間的差距，強(qiáng)烈反映出不斷增長(zhǎng)的需求對(duì)于追加ESD保護(hù)的需要。