超小型ESD保護(hù)器件在便攜設(shè)備上的應(yīng)用

 一、前言

ESD被認(rèn)為是電子產(chǎn)品質(zhì)量最大的潛在殺手，影響產(chǎn)品的可靠性，靜電防護(hù)也就成為電子產(chǎn)品質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要內(nèi)容。最有效的ESD保護(hù)方法是設(shè)備的連接器或端口處放置外部保護(hù)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?yàn)槭謾C(jī)、MP3播放器、PDA和數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品提供保護(hù)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(hù)器件，實(shí)際大小僅為0.6mm x 0.3mm x 0.3mm，為設(shè)計(jì)師們?cè)诳臻g受限的應(yīng)用中提供了靈活性。雙向保護(hù)消除了在PCB板上安裝時(shí)的方向限制，而且也不會(huì)損失負(fù)電平信號(hào)。

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(diǎn)，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(dá)到了IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (空氣)和±25kV(接觸)的標(biāo)準(zhǔn)。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(hù)管的特性曲線圖。

圖1：?jiǎn)蜗駿SD保護(hù)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(cè)試電流下ESD保護(hù)管發(fā)生雪崩擊穿時(shí)的電壓，它是ESD保護(hù)管最小的擊穿電壓。為了滿足IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，ESD保護(hù)管必須達(dá)到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的沖擊，有的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。上海英聯(lián)電子的UM5051、UM5052，達(dá)到了IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (空氣)和±25kV(接觸)的標(biāo)準(zhǔn)。

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

Current)：指ESD保護(hù)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(hù)工作電壓為5V的芯片。其反向漏電流小于1μA，對(duì)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(dāng)持續(xù)時(shí)間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過(guò)ESD保護(hù)管時(shí)，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(hù)管在指定結(jié)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(hù)管的雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz 頻率下測(cè)得的。電容值太大將使信號(hào)衰減。高頻回路一般選擇電容應(yīng)盡量小，當(dāng)頻率>100MHz時(shí)，C必須

三、ESD保護(hù)器件的種類

1、單向保護(hù)

下圖為單向保護(hù)示意圖，當(dāng)干擾脈沖信號(hào)超過(guò)VRWM時(shí)，超過(guò)的部分被釋放掉。

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

圖6：?jiǎn)蜗虮Ｗo(hù)示意圖

2、雙向保護(hù)

雙向ESD保護(hù)管一端接要保護(hù)的線路，一端接地，無(wú)論來(lái)自反向還是來(lái)自正向的脈沖均被釋放，更有效地保護(hù)了IC。下圖為雙向ESD保護(hù)器件UM5052的雙向保護(hù)示意圖。

圖7：雙向保護(hù)示意圖

四、ESD應(yīng)用舉例

1、手機(jī)SIM卡線路保護(hù)

目前手機(jī)空間越來(lái)越有限，往往矩陣式的ESD保護(hù)管限制了走線，英聯(lián)推出的0201超小封裝ESD保護(hù)管UM5051使PCB的布局更加靈活，為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)極限附近，還應(yīng)根據(jù)被保護(hù)回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征選用反應(yīng)速度足夠快、敏感度足夠高的器件，這對(duì)于有效發(fā)揮保護(hù)器件的作用十分關(guān)鍵。

圖8：手機(jī)SIM卡ESD保護(hù)應(yīng)用

2、便攜產(chǎn)品音頻數(shù)據(jù)線路保護(hù)

便攜類產(chǎn)品以體積小備受消費(fèi)者喜愛，在音頻數(shù)據(jù)線路保護(hù)方面，英聯(lián)推出的UM5052單路雙向ESD保護(hù)管，0201的超小封裝為設(shè)計(jì)師在有限的布板空間中提供了靈活性。由于音頻信號(hào)傳輸速率比較低，因此對(duì)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(hù)應(yīng)用

3、 穿戴式產(chǎn)品按鍵線路保護(hù)

對(duì)于穿戴式產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，小巧、輕便、可靠性是設(shè)計(jì)師考慮的重點(diǎn)。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(guān)回路這些回路的數(shù)據(jù)率很低，對(duì)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(jiǎn)單的布線，而且其ESD抗沖擊能力也達(dá)到了IEC 61000-4-2 (ESD) ±30kV (空氣)和±25kV(接觸)的標(biāo)準(zhǔn)。

除此之外，小型模塊類的數(shù)據(jù)線路接口、WIFI模塊、藍(lán)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(shí)，也節(jié)省了印制板的空間。

五、0201封裝ESD使用注意事項(xiàng)

1、ESD器件應(yīng)與接口盡量接近，與被保護(hù)線路盡量接近，這樣才會(huì)減少自感耦合到其它鄰近線路上的機(jī)會(huì)。

2、盡量避免在保護(hù)線路附近走比較關(guān)鍵的信號(hào)線，盡量將接口安排在同一個(gè)邊上。

3、避免被保護(hù)回路和未實(shí)施保護(hù)的回路并聯(lián)，將接口信號(hào)線路和接地線路直接接到保護(hù)器件上，然后再進(jìn)入回路的其它部分，將復(fù)位、中斷、控制信號(hào)遠(yuǎn)離輸入/輸出口，遠(yuǎn)離PCB 的邊緣。

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

5、盡可能多的增加接地點(diǎn)。

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。