ESD靜電保護元件的分析

來源：羅姆半導體社區(qū)

靜電保護元件(ElertroStatic Discharged Protection)簡稱ESD，是一種過壓保護元件，是為高速數(shù)據(jù)傳輸應用的I/O端口保護設計的器件。RLESD保護器件是用來避免電子設備中的敏感電路受到ESD(靜電放電)的影響?？商峁┓浅５偷?a href="http://wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容，具有優(yōu)異的傳輸線脈沖（TLP）測試，以及IEC6100-4-2測試能力，尤其是在多采樣數(shù)高達1000之后，進而改善對敏感電子元件的保護。靜電保護元件被廣泛應用于HDMI接口、便攜式視頻設備、LCD等離子電視、USB2.0和IEEE1394接口、GPS系統(tǒng)、便攜設備（PDA、DSC、藍牙）、打印機接口、衛(wèi)星接收器、DVI、天線等進而改善對敏感電子元件的保護。

目前市面上已經(jīng)存在多種ESD保護器件，但最常用的可分成三大類：聚合體、壓敏電阻/抑制器和二極管。選擇合適的ESD保護器件，最大的難點在于如何最容易地明確哪種器件可以提供最大的保護。系統(tǒng)供應商一般是通過數(shù)據(jù)手冊上的ESD額定值(或標稱值)來比較ESD保護器件的好壞。事實上，從這些額定值根本看不出器件保護系統(tǒng)的能力有多強，關鍵取決于其它二極管參數(shù)。

除了保護器件的ESD標稱值外，電壓值(箝位電壓)和ASIC端有多大電流(剩余電流)也是關鍵因素。ESD保護器件功能是通過將大部分電流短路到地并將ASIC端的電壓"箝位"到低于脈沖電壓的值來實現(xiàn)的。確定箝位電壓和剩余電流不是一項很容易的任務。在大多數(shù)ESD保護數(shù)據(jù)手冊中引用的箝位電壓(如果手冊中包括這條信息)很容易讓人產(chǎn)生誤解。而數(shù)據(jù)手冊中從來沒有剩余電流這一項，因為它與系統(tǒng)版圖有關，與器件本身無關。而作為替代參數(shù)的保護電路的動態(tài)電阻(Rdyn)則有助于比較器件，因為具有較低電阻的器件可以分流較大比例的電流。遺憾的是，這個動態(tài)電阻值在保護器件的數(shù)據(jù)手冊中通常也不見蹤影。

一、聚合體器件

雖然聚合體器件對高頻應用來說相當有吸引力，因為它們的亞皮法電容值只有0.05~1.0pF，但這么低的電容也會帶來一些略微的副作用。與二極管不同的是，聚合體器件要求端電壓達到觸發(fā)電壓時才擊穿，而這個觸發(fā)電壓要比箝位電壓高出許多。典型的聚合體ESD器件在500V之前是不會擊穿的。一旦擊穿后它就會迅速跳到最高達150V的箝位電壓，當電荷釋放掉后，聚合體將返回高阻狀態(tài)。不過這一過程可能要花數(shù)小時甚至一天的時間，因此它們對消費類應用來說沒有吸引力。這些器件在制造中很難精確表征，其數(shù)據(jù)手冊通常只包含典型參數(shù)值，而不提供最小和最大保證值。另外，由于它們在物理上是屬于柔性器件，因此它們的性能會隨著遭受ESD脈沖數(shù)量的增加而下降。

二、壓敏電阻和抑制器

壓敏電阻和抑制器是非線性的可變電阻。雖然它們相對來說不貴，但抑制器通常具有高觸發(fā)電壓、高箝位電壓和高阻抗特性，從而使得大多數(shù)能量會到達受保護的器件，而不是分流到地。典型的低電容抑制器的箝位電壓范圍在150~500V。低電容抑制器的典型動態(tài)電阻是20~40Ω。由于其高阻抗特性，幾乎所有 ESD沖擊電流都會傳遞到"受保護"器件而不是分流到地。

三、半導體二極管

另外一種ESD保護方法是采用半導體二極管。ESD保護二極管被表征為低箝位電壓、低阻抗、快速導通時間和更好的可靠性。通常半導體二極管可以提供最好的ESD保護，而且現(xiàn)在的二極管已經(jīng)可以做到1pF的等效電容，因此已經(jīng)成為可靠的ESD保護和良好的信號完整性的最佳選擇。

四、ESD靜電保護元件分析

任何保護元件在正常工作期間必須作為高阻抗電路出現(xiàn)在受保護的輸入端。它所施加的電容負載必須盡可能的小，使得對正常的輸入信號幾乎沒有影響。然而, 在過壓的瞬間，同一器件必須成為能量的主要通路，把能量從被保護器件的輸入端轉(zhuǎn)移出去。此外，保護器件的安全(standing-off)電壓必須高于受保護端所允許的最大信號電壓。同樣，其箝位電壓必須低到足以防止所保護的器件遭受損壞，這是由于在瞬態(tài)發(fā)生期間，輸入端上的電壓將是保護器件的箝位電壓。

我們常常會看到介紹ESD靜電保護器、ESD靜電阻抗器、ESD靜電釋放器、貼片壓敏電阻等產(chǎn)品，但其實保護器件最關鍵的參考系數(shù)應該是下面三項：

1. 快速響應時間

2. 低箝位電壓

3. 高電流浪涌承受能力

無論產(chǎn)品被介紹得多么優(yōu)異，在選擇ESD靜電保護元件時，仍應該細致地做好實際的對比，以及運用IEC61000-4-2測試來做驗證。符合測試要求的標準，不是越高越好，而是適合自已的產(chǎn)品，例如：空氣放電15KV 接觸 8KV。目前行業(yè)慣例是根據(jù)8us上升時間和20us持續(xù)時間的脈沖公布箝位電壓的，而真正的ESD脈沖應該是1ns上升時間和60ns的持續(xù)時間。

審核編輯 黃昊宇