選擇高效ESD保護器件的訣竅

隨著更新的集成電路(IC)技術(shù)采用更小的幾何尺寸和更低的工作電壓，不斷更新?lián)Q代的便攜產(chǎn)品對靜電放電(ESD)電壓損害越來越敏感。有鑒于此，手機、MP3播放器和數(shù)碼相機等便攜產(chǎn)品的設(shè)計人員必須評估各種可供選擇的ESD保護解決方案，確保他們所選擇的解決方案能滿足當(dāng)今IC不斷變化的需求。本文將探討選擇有效ESD保護解決方案的關(guān)鍵步驟。

ESD波形

以系統(tǒng)級的方法來定義典型的ESD事件所采用的最常見的波形，是以其亞納秒上升時間和高電流電平(參見圖1)為顯著特征的IEC61000-4-2波形。這種波形的規(guī)范要求采用四級ESD量級。大部分設(shè)計工程師都要求把產(chǎn)品限定到最高級的8 kV的接觸放電或15 kV的空氣放電。當(dāng)進行元器件級測試時，因為空氣放電測試在這樣的小型元器件上是不能重復(fù)的，接觸放電測試則是最適合的測試方式。

圖1：IEC61000-4-2規(guī)范指標(biāo)一覽表。

從近期的設(shè)計趨勢的ESD所需考慮因素

ESD保護器件的目的是把數(shù)千伏電壓的ESD輸入電壓降低到所保護的IC所能承受的安全電壓，并能把電流從IC旁路。雖然所需ESD波形的輸入電壓和電流在過去的幾年沒有出現(xiàn)變化，但要求保護IC的安全電壓電平卻降低了。過去，IC設(shè)計對于(防范)ESD而言更具強固性，而且能夠承受更高電壓，因此，在選擇能符合IEC61000-4-2第4級的要求的保護二極管時有充分的選擇余地。而對于如今ESD更敏感的IC，設(shè)計工程師就必須不僅要確保保護器件能夠符合IEC61000-4-2第4級標(biāo)準(zhǔn)，而且還要確保該器件能夠?qū)SD脈沖鉗制到足夠低的電平，從而確保IC不受損壞。在為給定的應(yīng)用選擇最佳保護器件的時候，設(shè)計工程師必須要考慮到ESD保護器件能夠把ESD電壓控制到多么低的電平。

如何選擇最有效的保護方案

保護二極管的關(guān)鍵直流(DC)規(guī)范是擊穿電壓、漏電壓和電容。大部分?jǐn)?shù)據(jù)表也會說明IEC61000-4-2的最大額定電壓，該電壓指的是二極管在該電壓上不會被ESD沖擊損壞。所存在的問題是，大部分?jǐn)?shù)據(jù)表中沒有任何針對象ESD這樣的高頻率、高瞬態(tài)電流的鉗位電壓方面的信息。可是要詳細說明，要在IEC61000-4-2規(guī)范中硬性規(guī)定鉗位電壓不是一件簡單的事情，這是因為該規(guī)范的初衷是用來檢驗系統(tǒng)是否合格，并且頻率是如此高。要把這種規(guī)范來檢驗保護器件，關(guān)鍵的是不僅要檢查保護二極管是否合格/不合格，還要檢查它能把ESD電壓鉗位到多么低的電平。

比較保護二極管鉗位電壓的最好途徑是采用一臺示波器截取保護二極管兩端在ESD產(chǎn)生期間內(nèi)的實際電壓波形，可以根據(jù)圖2的測試設(shè)置來實現(xiàn)。

在觀察經(jīng)受IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)測試的ESD保護器件的電壓波形時，通常初始電壓峰值之后緊隨著第二峰值，并且最終電壓將會穩(wěn)定下來。初始峰值是由IEC61000-4-2波形的初始電流峰值和由測試電路中存在的電感所導(dǎo)致的過沖相結(jié)合所造成的。初始峰值的持續(xù)時間很短，因此限定了傳輸?shù)絀C的能量。圖中曲線上顯示了保護器件的鉗位性能，其位于第一個過沖之后。應(yīng)該重點關(guān)注第二個峰值，這是因為該峰值的持續(xù)時間較長，被測IC承受的能量將因此增加。在以下的討論中，鉗位電壓被定義為第二峰值的最大電壓。

幾種保護二極管的比較

為了進行公平的比較，所選元器件應(yīng)當(dāng)有相似的封裝尺寸和參數(shù)指標(biāo)。用來比較的是三只ESD保護二極管，當(dāng)對它們的電特性進行比較時，認為這些器件可以彼此互換。這些器件都是雙向的ESD保護器件，具有同樣的擊穿電壓(6.8 V)、電容(15 pf)和封裝外形(1.0 × 0.6 × 0.4 mm)。這里所選擇的產(chǎn)品分別是競爭對手1的RSB6.8CS、競爭對手2的PG05DBTFC和安森美半導(dǎo)體的ESD9B5.0ST5G。

當(dāng)對以上器件的DC性能進行比較的時候，結(jié)果看起來似乎是相同的(參見圖2所示曲線)。此外，它們都聲稱符合IEC61000-4-2第4級標(biāo)準(zhǔn)，這就意味著它們將都經(jīng)受住高達8 kV接觸電壓的ESD沖擊。確保保護敏感IC的ESD保護器件至關(guān)重要的性能不是DC性能; 盡管器件符合IEC61000-4-2的第4級標(biāo)準(zhǔn)是重要，但更重要的是保護IC。為確保在ESD事件期間IC沒有被損壞，保護二極管必須把ESD電壓鉗位至足夠低的值，使IC不會損壞。

圖2：三種ESD器件的DC特性對比。

為了比較每個器件的鉗位性能，利用示波器來截取ESD發(fā)生期間的電壓波形。利用完全相同的測試條件，對上述器件進行并排測試。圖3中顯示出每個二極管對正/負ESD脈沖的響應(yīng)曲線。所用的輸入脈沖為IEC61000-4-2第4級的標(biāo)準(zhǔn)接觸電壓(8 kV)。

圖3：三種ESD保護二極管的鉗位電壓對比(示波器屏幕截圖)。

從圖3所示的屏幕圖上可見，顯然，與兩個競爭對手的器件(藍色波形)相比較，安森美半導(dǎo)體保護解決方案(黑色波形)提供更低的ESD脈沖鉗位電壓。與競爭對手2的18 V和競爭對手1的23 V相比較，安森美半導(dǎo)體的器件將正脈沖鉗位在14 V。而在負脈沖期間，這三個器件之間鉗位電壓的差異更加明顯。安森美半導(dǎo)體、競爭對手2和競爭對手1的器件對負脈沖的鉗位電壓分別是20 V、34 V和42 V。在負ESD脈沖期間這三種器件之間有明顯的區(qū)別，競爭對手2的器件的鉗位電壓比安森美半導(dǎo)體的器件高70%，而競爭對手1的器件的鉗位電壓則是安森美半導(dǎo)體器件的兩倍之多。通過競爭對手的保護器件后的剩余負脈沖電壓對那些更容易受到ESD破壞的新IC設(shè)計有潛在的危險。然而，安森美半導(dǎo)體的器件卻能在負脈沖和正脈沖兩個方向上保持低的鉗位電壓，從而將遭受正/負ESD脈沖的破壞風(fēng)險都保持在最低水平。

好的保護器件需要對正/負ESD脈沖都能進行很好的鉗位，以保證終端產(chǎn)品在實際條件下具有最高的可靠性。在正/負兩個方向上的低鉗位電壓確保保護器件能保護極敏感的IC，這使得設(shè)計工程師能利用可以實現(xiàn)更多功能和更高速度的最新IC技術(shù)。由于認識到在選擇ESD保護器件時鉗位電壓的重要性日益提高，很多提供保護器件的公司在他們最新ESD保護器件的數(shù)據(jù)表中提供了類似圖3中的ESD鉗位屏幕截圖。