高性能的便攜應(yīng)用ESD保護(hù)方案

隨著手機(jī)等便攜設(shè)備中具備更多的功能，可供靜電放電(ESD)電壓進(jìn)入的潛在輸入輸出(I/O)通道更趨眾多，包括鍵盤、按鍵、SIM卡、電池充電、USB接口、FM天線、LCD顯示屏、耳機(jī)插孔、FM天線等眾多位置都需要ESD保護(hù)。根據(jù)電容及數(shù)據(jù)率的不同，便攜設(shè)備的ESD保護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域可分為大功率、高速和極高速等三個(gè)類型，其電容分別為大于30 pF、介于1至30 pF之間和小于1 pF，參見表1。由此表中可見，速度越高的應(yīng)用要求的電容也越低，這是因?yàn)楦咚賾?yīng)用中更需要維持信號完整性及降低插入損耗。

表1：便攜設(shè)備ESD保護(hù)應(yīng)用分類及典型保護(hù)產(chǎn)品(其中紅色字體為領(lǐng)先產(chǎn)品)。

便攜設(shè)備最有效的ESD保護(hù)方法
從保護(hù)方法來看，一種可能的選擇是芯片內(nèi)建ESD保護(hù)，但日趨縮小的CMOS芯片已經(jīng)越來越不足以承受內(nèi)部2 kV等級ESD保護(hù)所需要的面積，故真正有效的ESD保護(hù)不能完全集成到CMOS芯片之中。另外，雖然通過在物理電路設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)方面下功夫，可以發(fā)揮一些作用，但總有部分重要電路較為敏感，很難與外部隔離，故最有效的ESD保護(hù)方法還是在便攜設(shè)備的連接器或端口處放置保護(hù)元件，將極高的ESD電壓鉗位至較低的電壓，以確保電壓不會超過集成電路(IC)內(nèi)氧化物的擊穿電壓，保護(hù)敏感IC。

在正常工作條件下，外部ESD保護(hù)元件應(yīng)該保持在不動作狀態(tài)，同時(shí)不會對電子系統(tǒng)的功能造成任何影響，這可以通過維持低電流以及低電容值來達(dá)成。而在ESD應(yīng)力沖擊或者說大電流沖擊條件下，ESD保護(hù)元件的第一個(gè)要求就是必須能夠正常工作，要有夠低的電阻以便能夠限制受保護(hù)點(diǎn)的電壓；其次，必須能夠快速動作，這樣才能使上升時(shí)間低于納秒的ESD沖擊上升時(shí)間。

外部保護(hù)元件比較及其性能測試
常見的外部保護(hù)元件有壓敏電阻、聚合物和硅瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)等，它們所采用的材料分別是金屬氧化物、帶導(dǎo)電粒子的聚合物和硅。壓敏電阻在低電壓時(shí)，呈現(xiàn)出高電阻，而在較高電壓時(shí)電阻會下降。帶導(dǎo)電粒子的聚合物在正常電壓下相當(dāng)高的電阻，但當(dāng)遭受ESD應(yīng)力時(shí)，導(dǎo)電粒子間的小間隙會成為突波音隙陣列，從而帶來低電阻路徑。TVS則為采用標(biāo)準(zhǔn)與齊納二極管特性設(shè)計(jì)的硅芯片元件。TVS元件主要針對能夠以低動態(tài)電阻承載大電流的要求進(jìn)行優(yōu)化，由于TVS元件通常采用IC方式生產(chǎn)，因此我們可以看到各種各樣的單向、雙向及以陣列方式排列的單芯片產(chǎn)品。

在這幾種外部保護(hù)元件中，TVS元件的大電流導(dǎo)電率極佳，且在重復(fù)應(yīng)力條件下仍能維持優(yōu)異性能，不存在壓敏電阻或聚合物等其它保護(hù)元件使用增多后會出現(xiàn)性能下降的問題，而且新的ESD元件具有極低的電容，非常適合高速數(shù)據(jù)線路的ESD保護(hù)。而越是高速的應(yīng)用，越是要求ESD保護(hù)元件具有更低的電容及更低的鉗位電壓。

圖1：安森美半導(dǎo)體集成硅ESD保護(hù)元件擁有比競爭器件更優(yōu)的鉗位電壓性能。

電子系統(tǒng)必須能夠在IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)測試條件下存續(xù)。為了對上述幾種外部ESD保護(hù)元件進(jìn)行更加直接的比較，對壓敏電阻、聚合物、安森美半導(dǎo)體半導(dǎo)體硅保護(hù)元件及性能最接近的硅競爭器件，首先施以IEC 61000-4-2 ±8 kV ESD接觸放電脈沖，并通過示波器截取其ESD鉗位電壓波形進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)安森美半導(dǎo)體的硅ESD保護(hù)元件擁有低得多的鉗位電壓，不僅優(yōu)于壓敏電阻和聚合物等無源元件，更優(yōu)于性能最接近的硅競爭器件，參見圖1 。

此外，便攜設(shè)備可能遭受多次的ESD電壓應(yīng)力，這在中國北方地區(qū)表現(xiàn)得猶為顯眼。因?yàn)?，外部保護(hù)元件在多種ESD應(yīng)力條件的性能猶為重要，直接決定著便攜產(chǎn)品的可靠性。因此，同樣可以對壓敏電阻、聚合物和硅ESD二極管等保護(hù)元件在Tesec直流測試條件下測試，每個(gè)元件都施以總計(jì)2,000次的15 kV接觸放電ESD脈沖(正向及負(fù)向各1,000次)，每兩次脈沖的時(shí)間間隔為0.1秒。表2所示的測試結(jié)果顯示，安森美半導(dǎo)體的硅集成ESD保護(hù)元件在多重應(yīng)力條件下仍然維持極佳的性能，而競爭器件要么損壞，要么性能退化較嚴(yán)重。

表2：Tesec直流測試條件下不同ESD外部保護(hù)元件在多重應(yīng)力后的性能比較。

安森美半導(dǎo)體高性能ESD外部保護(hù)元件概覽
如表1所示，安森美半導(dǎo)體為便攜設(shè)備的大功率、高速和極高速等應(yīng)用領(lǐng)域均提供一系列的高性能硅ESD保護(hù)元件，滿足不同應(yīng)用需求。其中，安森美半導(dǎo)體的ESD11L、ESD11N、NUP4016(用于極高速應(yīng)用)，ESD11B、NUP4xxxP5(用于高速應(yīng)用)更是當(dāng)今業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品。

例如，NUP4016具備每條I/O線路0.5 pF的超低電容，非常適用于保護(hù)通用串行總線(USB) 2.0高速(480 Mbps)和高清多媒體接口(HDMI) (1.65 Gbps)等高速接口。ESD11L5.0D將安森美半導(dǎo)體的超低電容技術(shù)集成至3引腳封裝中，以0.5 pF電容保護(hù)兩條高速數(shù)據(jù)線路，為設(shè)計(jì)人員提供保護(hù)USB 2.0端口的D+和D-線路的單個(gè)器件解決方案；ESD11L5.0D也能夠連接陰極至陰極，以0.25 pF電容保護(hù)單條雙向線路，非常適用于保護(hù)高頻射頻(RF)天線線路。

NUP4016和ESD11L5.0D都能在數(shù)納秒時(shí)間內(nèi)將15千伏(kV)輸入ESD波形鉗位至不足8伏(V)，為當(dāng)今對ESD敏感的集成電路(IC)提供最高保護(hù)水平。這些硅器件沒有無源技術(shù)的磨損問題，在經(jīng)過多次浪涌事件如ESD等后，可靠性和性能都不受影響。

值得一提的，安森美半導(dǎo)體的這些高性能硅保護(hù)不僅提供極低電容和極低鉗位電壓，更采用極小的封裝，是需要在超薄封裝中提供優(yōu)異保護(hù)性能的便攜產(chǎn)品的極佳保護(hù)器件。如NUP4016采用極小的1.0 mm x 1.0 mm x 0.4 mm SOT-953封裝保護(hù)4條高速數(shù)據(jù)線路，是如今市場上最薄的高速通信接口用ESD保護(hù)器件。
ESD11L5.0D采用超小型1.0 mm x 0.6 mm x 0.37 mm SOT-1123封裝，與采用SOT-723封裝的市場上同類解決方案相比，占位面積小50%，厚度低20%，是如今市場上最薄的高速通信、USB 2.0數(shù)據(jù)和電源線路和保護(hù)用ESD器件。

安森美半導(dǎo)體還規(guī)劃提供尺寸小至0.6 mm x 0.3 mm x 0.3 mm的0201 CSP封裝的ESD器件，保護(hù)單條線路，每條線路所占平面面積僅為0.18 mm2。

采用安森美半導(dǎo)體半導(dǎo)體保護(hù)元件的USB 2.0高速應(yīng)用保護(hù)示例
USB 2.0接口在便攜設(shè)備中的應(yīng)用范圍非常普及，在用戶的日常使用中也有著極高的使用頻率，故需要為高速的USB接口提供可靠的ESD保護(hù)。圖2顯示的是速度達(dá)480 Mbps的USB 2.0高速應(yīng)用在帶識別(ID)線路及不帶ID線路兩種情況下的簡明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2：USB 2.0高速(480 Mbps)應(yīng)用結(jié)構(gòu)示意圖。

以帶ID線路的圖2 a)為例，應(yīng)用中需要以電容小于1 pF、小封裝的器件保護(hù)3條極高速數(shù)據(jù)線路(D+、D-和ID)及1條大功率線路(Vbus)。針對這樣的保護(hù)需求，既可以采用分立保護(hù)方案，如使用3顆ESD9L加1顆ESD9X，也可以采用集成保護(hù)方案，如1顆NUP3115UP或NUP4114UP(有1條線路未連接)。

而在圖2 b)的應(yīng)用中，需要以電容小于1 pF、小封裝的器件保護(hù)2條極高速數(shù)據(jù)線路及1條大功率線路(Vbus)。針對這樣的保護(hù)需求，同樣既可以采用分立保護(hù)方案，如使用2顆ESD9L加1顆ESD9X、1顆ESD7L加1顆ESD9X或1顆ESD11L加1顆ESD9X，也可以使用集成保護(hù)方案，如1顆NUP2114UP或1顆NUP4114UP(保護(hù)2個(gè)USB端口)。
 
總結(jié)：
手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等便攜產(chǎn)品中的眾多位置可能遭受ESD脈沖的影響并損壞其中特征尺寸越來越小、越來越敏感的集成電路，進(jìn)而影響系統(tǒng)的可靠性。最有效的ESD保護(hù)方法是在便攜設(shè)備的連接器或端口處放置外部保護(hù)元件。測試表明，硅TVS二極管比聚合物和壓敏電阻等無源元件的鉗位性能更優(yōu)異，而安森美半導(dǎo)體的硅保護(hù)元件更是優(yōu)于性能最接近的競爭器件。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅解決方案供應(yīng)商，為便攜設(shè)備的大功率、高速和極高速應(yīng)用領(lǐng)域提供豐富的高性能硅保護(hù)元件系列，其中不少都是當(dāng)今業(yè)界的領(lǐng)先產(chǎn)品。這些領(lǐng)先產(chǎn)品以極小的封裝提供極低的電容和極低鉗位電壓，非常適合保護(hù)USB 2.0高速及HDMI等極高速應(yīng)用。同時(shí)，客戶得益于安森美半導(dǎo)體豐富的硅保護(hù)元件系列，能夠?yàn)槠銾SB 2.0高速等應(yīng)用靈活地選擇及搭配安森美半導(dǎo)體的硅保護(hù)元件，滿足他們的不同應(yīng)用需求。