保護(hù)敏感IC元件

為了成本，集成度和性能等指標(biāo)，采用高速串行數(shù)據(jù)接口，并且減小半導(dǎo)體制造布局是非常有必要的。但這種較小的器件更容易受到較低電壓和電流所造成的靜電損傷。另外，用于高速數(shù)據(jù)線上的低電容ESD保護(hù)器件在電容減小的同時(shí)，動(dòng)態(tài)電阻會(huì)變大，這會(huì)使它們保護(hù)系統(tǒng)敏感IC元件的能力變差。

對于傳統(tǒng)的ESD保護(hù)方案，強(qiáng)大的靜電放電保護(hù)與良好的信號完整性是一對矛盾。有一些ASIC根本無法在保證信號完整性的同時(shí)，有效地進(jìn)行ESD保護(hù)。

數(shù)據(jù)表說明書

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常用器件數(shù)據(jù)表上標(biāo)注的ESD等級來比較其ESD保護(hù)能力。然而這些等級僅僅適用于單獨(dú)的ESD器件，而不代表它們所在的工作系統(tǒng)。

一個(gè)ESD等級標(biāo)注為8kV的設(shè)備，可能會(huì)使2kV或者更低的系統(tǒng)級測試失敗。有時(shí)，一個(gè)標(biāo)注為15kV的器件對系統(tǒng)提供的保護(hù)可能還不如一個(gè)8kV的器件。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者用來比較ESD器件的主要參數(shù)根本無法顯示實(shí)際的系統(tǒng)層次的性能。

系統(tǒng)IC常常會(huì)因?yàn)檫^電壓、過電流或者同時(shí)受到兩者的作用而受損。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)者都知道連續(xù)電壓會(huì)使IC遭到損傷，卻沒有意識到大電流往往是ESD損傷的真正原因。

圖1 在傳統(tǒng)的ESD保護(hù)體系中，靜電放電保護(hù)與信號的完整性是一對矛盾

ESD保護(hù)器件可以將大部分電流引入地下，并且將作用于ASIC之上的電壓限制在擊穿電壓之內(nèi)。理論上，我們可以通過比較它們的鉗位電壓和剩余電流（未被ESD器件分流的電流），來比較ESD器件的性能。但是，實(shí)際情況卻遠(yuǎn)不是如此。

鉗位電壓

在實(shí)際測試中，廠家所發(fā)布的鉗位電壓是在給器件施加一個(gè)上升時(shí)間為   8μs，持續(xù)20μs的脈沖的情況下確定的。

大多數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表所示的鉗位電壓都是通過對器件施加1A脈沖確定的，有時(shí)也會(huì)采用電流強(qiáng)度更高的脈沖。這種脈沖可重復(fù)獲得，并易于測量，因此被廣泛采用。但不幸的是，這種脈沖并不等價(jià)于ESD脈沖。ESD脈沖只有1ns的上升時(shí)間，持續(xù)60ns。除此之外，IEC 61000-4-2第4級電擊中，峰值電流為30Ａ的鉗位電壓和在1A脈沖作用下也有很大區(qū)別。

采用標(biāo)準(zhǔn)1A脈沖，大多數(shù)半導(dǎo)體ESD保護(hù)二極管的鉗位電壓一般都會(huì)標(biāo)注在8～15V之間。但在8kV的IEC 61000－4－2標(biāo)準(zhǔn)測試中，這些二極管的峰值鉗位電壓則會(huì)達(dá)到50～100V，這是由二極管的其他特征，如動(dòng)態(tài)電阻值所決定的。

有一些ESD制造商還會(huì)提供ESD脈沖波形圖，但是這同樣很容易讓人誤解。例如，制造商經(jīng)常采用衰減器來保護(hù)測試儀器不受損傷?？墒菙?shù)據(jù)表中的波形圖并沒有將衰減器的影響包括在內(nèi)，這會(huì)使標(biāo)注的鉗位電壓存在5～10倍的誤差。

雖然不能僅僅通過大多數(shù)數(shù)據(jù)表上提供的鉗位電壓來比較ESD的性能，但是，通過仔細(xì)閱讀分析它，我們卻可以了解器件的相對性能。

其他因素

被保護(hù)ASIC的鉗位電壓基于幾項(xiàng)因素，包括ESD二極管的擊穿電壓，二極管的動(dòng)態(tài)電阻以及流過二極管的電流量。雖然數(shù)據(jù)表上標(biāo)注的鉗位電壓并不準(zhǔn)確（通過對其施加8～20μs的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)，與實(shí)際ESD脈沖有很大區(qū)別），但是我們同樣可以恰當(dāng)?shù)乩盟鼈儊肀容^器件的性能。

在簡化模型中，鉗位電壓會(huì)隨著電流線性增加，這個(gè)函數(shù)的斜率就是二極管的動(dòng)態(tài)電阻。
大多數(shù)ESD器件制造商都會(huì)提供1A鉗位電壓值，動(dòng)態(tài)電阻值，或者兩個(gè)不同電流強(qiáng)度時(shí)的鉗位電壓值。這樣，我們很容易就能計(jì)算出器件的動(dòng)態(tài)電阻。例如，一個(gè)器件在1A電流下的鉗位電壓為10V，而在5A電流下鉗位電壓為15V，那它的動(dòng)態(tài)電阻就等于(15-10)/(5-1)=1.25Ω

動(dòng)態(tài)電阻值是確定實(shí)際鉗位電壓時(shí)最重要的因素?？紤]兩種器件，一個(gè)在1.0A電流強(qiáng)度下具有8V鉗位電壓的器件，一個(gè)在1.0A電流強(qiáng)度下具有10V鉗位電壓的器件，哪一個(gè)在ESD沖擊中的表現(xiàn)會(huì)更好？

8V的鉗制也許看起來會(huì)更好，但這或許不是真的。假如Ｂ器件（10V鉗位電壓）的動(dòng)態(tài)電阻僅為1Ω，而8V鉗位電壓器件的動(dòng)態(tài)電阻達(dá)到了2Ω，那么30A的電流下，Ａ器件的鉗位電壓就為8＋29×2＝66V，而器件Ｂ卻為10 + 29×1 = 39 V。這樣Ｂ就成為更好的選擇。

通過ASIC的電流大小也與保護(hù)電路的動(dòng)態(tài)電阻有關(guān)。當(dāng)電路的動(dòng)態(tài)電阻增加時(shí)，被保護(hù)器件中的電流也會(huì)成比例增加，從而導(dǎo)致ESD損傷的可能性增大。

設(shè)計(jì)者應(yīng)該選擇一種保護(hù)器件，使它分流盡可能多的電流，并使通過ASIC的剩余電流盡可能的減小。這個(gè)電流會(huì)隨著系統(tǒng)的不同而不同，所以不能按數(shù)據(jù)表上的值照搬。不幸的是，很多情況下，ESD保護(hù)器件制造商不會(huì)為用戶提供直接的動(dòng)態(tài)電阻值。不過這可以通過幾組鉗位電壓值來估計(jì)。

通常，ESD二極管的動(dòng)態(tài)電阻在1～3Ω之間，而變阻器和干擾抑制器之類的其他器件的動(dòng)態(tài)電阻則有20～40Ω?？梢?，ESD二極管是靜電放電保護(hù)的最好選擇。

傳統(tǒng)的ESD保護(hù)措施

圖１所示是發(fā)生擊穿時(shí)，傳統(tǒng)的、單級ESD保護(hù)器件所起的作用。其中包括：（1）電壓被鉗制在一個(gè)較低的水平，以盡量減小ASIC兩端的電壓。（2）保護(hù)器件將電流旁路至地面，避開了ASIC元件。（3）ESD電擊結(jié)束后，保護(hù)器件將恢復(fù)到高阻狀態(tài)。有些器件，比如聚合物，可能需要24小時(shí)才能恢復(fù)到初始狀態(tài)，所以理解這個(gè)特性非常重要。

減小ESD保護(hù)器件的動(dòng)態(tài)電阻將會(huì)減小ASIC兩端的鉗位電壓，并會(huì)減小漏電流。隨著最新的ASIC元件越來越敏感，傳統(tǒng)的ESD保護(hù)方案已經(jīng)無法為一些ASIC提供足夠的保護(hù)。

新型解決方案

CMD的PicoGuard XP等方案的特點(diǎn)是一種創(chuàng)新的兩級設(shè)計(jì)，將兩級ESD保護(hù)和電阻串聯(lián)，放在同一個(gè)封裝內(nèi)，以減少到達(dá)ASIC的電流。它的工作原理如下：

● 系統(tǒng)從第一級開始鉗制。第一級的漏電流通過串聯(lián)電阻進(jìn)入系統(tǒng)的第二級。
● 第一級漏電流中的大部分都被第二級從連接到ASIC的通路中分流，與單鉗制保護(hù)架構(gòu)相比，這樣做顯著減少了ASIC處的電流。通過這種二級鉗制，同樣也可以減小鉗位電壓。

在一個(gè)例子中，采用CM1231，ASIC的鉗位電壓從傳統(tǒng)ESD二極管的6kV以下增加到10kV以上。CM1231是首例采用PicoGuard XP構(gòu)架的器件。