摘要：便携设备的功能日趋增加，导致静电放电(ESD)电压进入的通道增多，因而带来更多危害产品的几率。本文在比较不同外部保护元件的基础上，介绍了安森美半导体的硅保护元件系列，这些元件能够满足不同应用需求。
关键词：便携设备 静电放电(ESD) 瞬态电压抑制器(TVS)
1 引言
随着手机等便携设备中具备更多的功能，可供静电放电(ESD)电压进入的潜在输入输出(I/O)通道更趋众多，包括键盘、按键、SIM卡、电池充电、USB接口、FM天线、LCD显示屏、耳机插孔、FM天线等众多位置都需要ESD保护。根据电容及数据率的不同，便携设备的ESD保护应用领域可分为大功率、高速和极高速等三个类型，其电容分别为大于30 pF、介于1pF～30 pF之间和小于1 pF，参见表1。由此表可见，速度越高的应用要求的电容也越低，这是因为高速应用中更需要维持信号完整性及降低插入损耗。
表1 便携设备ESD保护应用分类及典型保护产品
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应用 领域 |
大功率 浪涌功率>100W（8×20µs) 电容>30pF |
高速 电容1-30 pF |
极高速 电容<1 pF |
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保护方向 及 保护位置 |
单向 |
键盘、按键、充电线路、 电池触点 |
单向 |
USB 1.1、USB 2.0全速、相机、SIM卡、电池触点 |
单向 |
USB 2.0高速 HDMI |
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双向 |
音频线路 FM天线 |
双向 |
RF天线 |
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典型 保护产品 及其 封装 |
SOD-523、WDFN-6、 封装 |
ESD 5Z |
SOD-523、WDFN-6、封装 |
ESD5B |
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ESD9X、 µESD、 NZQAxxxXV5、 NUP5120 |
SOD-523、SOT-723、SOT-5×3封装 |
ESD9M/7M、 ESD9B、 NZQAxxxAXV5、NUP5150MU |
SOD-923、 SOT-723、 SOT-5×3 封装 |
ESD9L/7L、 ESD9N、 NUP2114/4114、 NUP3115、 NUP4012 |
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0201、 SOT-1123、SOT-9×3封装 |
ESD11B、 NUP4xxxP5 |
0201、 SOT-1123、 SOT-9×3 封装 |
ESD11L、 ESD11N、 |
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2 便携设备最有效的ESD保护方法
从保护方法来看，一种可能的选择是芯片内建ESD保护。但日趋缩小的CMOS芯片已经越来越不足以承受内部2 kV等级ESD保护所需要的面积，故真正有效的ESD保护不能完全集成到CMOS芯片之中。另外，虽然通过在物理电路设计及软件设计方面下功夫，可以发挥一些作用，但总有部分重要电路较为敏感，很难与外部隔离。故最有效的ESD保护方法还是在便携设备的连接器或端口处放置保护元件，将极高的ESD电压钳位至较低的电压，以确保电压不会超过集成电路(IC)内氧化物的击穿电压，保护敏感IC。
在正常工作条件下，外部ESD保护元件应该保持在不动作状态，同时不会对电子系统的功能造成任何影响，这可以通过维持低电流以及低电容值来达到。而在ESD应力冲击或者说大电流冲击条件下，ESD保护元件的第一个要求就是必须能够正常工作，要有足够低的电阻以便能够限制受保护点的电压。其次，必须能够快速动作，这样才能使上升时间低于ns的ESD冲击上升时间。
3 外部保护元件比较及其性能测试
常见的外部保护元件有压敏电阻、聚合物和硅瞬态电压抑制器(TVS)等，它们所采用的材料分别是金属氧化物、带导电粒子的聚合物和硅。压敏电阻在低电压时呈现出高电阻，而在较高电压时电阻会下降。带导电粒子的聚合物在正常电压下呈现相当高的电阻，当遭受ESD应力时，导电粒子间的小间隙会成为突波音隙阵列，从而带来低电阻路径。TVS则为采用标准与齐纳二极管特性设计相同的硅芯片元件。TVS元件主要针对能够以低动态电阻承载大电流的要求进行优化，由于TVS元件通常采用IC方式生产，因此可以看到各种各样的单向、双向及以阵列方式排列的单芯片产品。
在以上几种外部保护元件中，TVS元件的大电流导电率极佳，且在重复应力条件下仍能维持优异性能，不存在压敏电阻或聚合物等其它保护元件使用增多后会出现性能下降的问题。新的ESD元件具有极低的电容，非常适合高速数据线路的ESD保护。而越是高速的应用，越是要求ESD保护元件具有更低的电容及更低的钳位电压。
图1 安森美半导体集成硅ESD保护元件拥有比竞争器件更优的钳位电压性能
电子系统必须能够在IEC 61000-4-2标准测试条件下存续。为了对上述几种外部ESD保护元件进行更加直接的比较，对压敏电阻、聚合物、半导体硅保护元件及性能最接近的硅竞争器件，首先施以IEC 61000-4-2 ±8 kV ESD接触放电脉冲，并通过示波器截取其ESD钳位电压波形进行比较，可以发现安森美半导体的硅ESD保护元件拥有低得多的钳位电压，不仅优于压敏电阻和聚合物等无源元件，更优于性能最接近的硅竞争器件，参见图1 。
