高速數(shù)據(jù)應(yīng)用中ESD抑制技術(shù)

高清電視及顯示器的發(fā)展加速提高了信號(hào)傳輸速率,除此之外，USB 2.0以及USB 3.0等高速串行協(xié)議的應(yīng)用也使信號(hào)速率在不斷提高。隨著信號(hào)速率的提高，以前傳統(tǒng)的ESD保護(hù)技術(shù)已顯得過時(shí)，多層壓敏電阻、硅二極管的高電容、漏電流以及鉗位電壓已經(jīng)不能提供準(zhǔn)確可靠的保護(hù)，以保證高速信號(hào)不發(fā)生明顯的信號(hào)降級(jí)。

通過采用間隙技術(shù)(gap technology)，特別是采用空氣作為間隙，已經(jīng)在低電容抑制器、更低漏電流、更低鉗位電壓等方面實(shí)現(xiàn)了可觀的性能提升?？傊?，在重復(fù)多次或持續(xù)的 ESD事件后，聚合物間隙抑制器會(huì)降級(jí)，而空氣間隙器件仍將保持非常低的電容、漏電流和觸發(fā)電壓，即使在1s事件間隔內(nèi)經(jīng)過1000次ESD事件，也能保持良好的性能。

靜電放電保護(hù)方案概覽

對(duì)于數(shù)據(jù)速率在350Mb/s或低于350Mb/s的應(yīng)用，瞬態(tài)抑制二極管和多層壓敏電阻是提供保護(hù)的極好選擇。這些應(yīng)用包括標(biāo)清LCD顯示器、TFT顯示器，以及大多數(shù)的計(jì)算機(jī)周邊接口及連接。這些信號(hào)天生就允許高的插入損耗、高鉗位電壓和觸發(fā)電壓。鑒于電源引腳上并沒有任何信號(hào)，因此，高速抑制相應(yīng)并不是必需的。瞬態(tài)抑制二極管和多層壓敏電阻也可以有效地保護(hù)像USB 2.0以及其他更高速率的接口電源引腳。但是，對(duì)于像DVI、HDMI、USB 3.0以及最新的IEEE 1394 A和B標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)據(jù)通信線路，實(shí)現(xiàn)最小信號(hào)失真的高速抑制響應(yīng)對(duì)于系統(tǒng)性能和電路保護(hù)是至關(guān)重要的。這些應(yīng)用包括數(shù)字視頻設(shè)備、MP3播放器、手機(jī)、 PDA、網(wǎng)絡(luò)交換器、有線和衛(wèi)星電視機(jī)頂盒、打印機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)以及筆記本電腦和上網(wǎng)本等計(jì)算機(jī)設(shè)備。

圖1 不同數(shù)據(jù)速率對(duì)應(yīng)的靜電放電抑制技術(shù)

抑制器技術(shù)比較

表1給出了在靜電放電抑制器件中常用的幾種核心技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)對(duì)比。聚合物靜電放電抑制器件在各種技術(shù)中可提供最低的漏電流，可承受非常高的靜電放電電壓脈沖，但在多次靜電放電事件后器件會(huì)開始降級(jí)。除此之外，該類器件相對(duì)高的觸發(fā)電壓和鉗位電壓(比空氣間隙放電產(chǎn)品高出50～100倍)則意味著更多的靜電放電脈沖能量可以通過被保護(hù)的電路。

表1 幾種不同抑制器技術(shù)比較

多年以來，在多種電器設(shè)備中廣泛應(yīng)用多層壓敏電阻來提供有效的靜電放電抑制。多層壓敏電阻相對(duì)較低的擊穿電壓和觸發(fā)電壓以及能經(jīng)受多次脈沖的能力是相當(dāng)令人滿意的?？墒牵鄬訅好綦娮杈哂休^高的漏電流和電容，并且降低電容帶來的有害影響導(dǎo)致其無法勝任高速數(shù)據(jù)的應(yīng)用。

基于硅的瞬態(tài)電壓抑制器件工作在標(biāo)準(zhǔn)P/N結(jié)的擊穿狀態(tài)，相比基于聚合物-間隙(polymer-gapbased)的器件可提供相對(duì)低的觸發(fā)電壓和鉗位電壓。該類器件的泄漏電流比空氣間隙器件(air-gap device)的高10～20倍，其相對(duì)較高的固有電容導(dǎo)致高信號(hào)失真和插入損耗?；诳諝忾g隙的器件在以上討論過的所有技術(shù)中可提供最低的電容和鉗位電壓，其工作在兩個(gè)電極間的惰性氣體擊穿狀態(tài)?；诳諝忾g隙的器件可以防止高達(dá)15kV的脈沖，它們?cè)诮?jīng)歷1000次脈沖沖擊后性能特點(diǎn)也相當(dāng)穩(wěn)定(如圖2 所示)?；诳諝忾g隙的器件泄漏電流略高于基于聚合物-間隙的器件，但是其電容和插入損耗與聚合物器件相當(dāng)或者稍好一些，并且其鉗位電壓和觸發(fā)電壓要低得多。

圖2 基于空氣-間隙的器件在經(jīng)歷1000次脈沖沖擊后性能特點(diǎn)也相當(dāng)穩(wěn)定

應(yīng)用及終端產(chǎn)品

許多高速數(shù)據(jù)應(yīng)用和終端產(chǎn)品采用混合式保護(hù)方式，在數(shù)據(jù)和時(shí)鐘線上采用基于間隙的器件，在電源連接部分采用多層壓敏電阻或基于硅的瞬態(tài)電壓抑制二極管。例如，USB接口的D+和D–線要求高速保護(hù)，這可以采用分立的芯片利用附加的多層壓敏電阻或瞬態(tài)電壓抑制器件用于VDD電源保護(hù)。PC、筆記本電腦、上網(wǎng)本等產(chǎn)品中常常需要多個(gè)USB接口連接。

對(duì)于這些設(shè)備，兩個(gè)分離的端口的數(shù)據(jù)線對(duì)(data line pairs)可以采用在USB控制器和端口之間的一個(gè)單芯片陣列來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能(如圖3所示)。理想情況下，靜電放電抑制器件應(yīng)該盡可能地在物理上靠近USB端口，以保證提供合適的電路保護(hù)。

圖3 兩個(gè)分離的端口的數(shù)據(jù)線對(duì)可以采用在USB控制器和端口之間的一個(gè)單芯片陣列來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能

現(xiàn)在，在高清電視和顯示器中，HDMI連接已經(jīng)非常普遍。這些連接器共擁有19個(gè)引腳，包括：3個(gè)數(shù)據(jù)通道對(duì)(data channel pairs)(每個(gè)帶一個(gè)地)、一個(gè)TMDS對(duì)(加上地)、DDC數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、CE遠(yuǎn)程線，所有這些都需要高速保護(hù)。通過將2個(gè)數(shù)據(jù)通道對(duì)采用一個(gè)陣列，另一個(gè)數(shù)據(jù)通道對(duì)與TMDS時(shí)鐘對(duì)采用一個(gè)陣列，則只需要兩個(gè)靜電放電抑制陣列，即可對(duì)8個(gè)高速連接提供有效的保護(hù)，剩下的3個(gè)(DDC數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、CE 遠(yuǎn)程線)可以采用分立的靜電放電抑制芯片來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、PDA中常用的小型存儲(chǔ)卡的保護(hù)相對(duì)來說就比較簡(jiǎn)單了，唯一不同的一點(diǎn)要求是器件的尺寸要小，像0402尺寸的器件就可以很好地滿足要求。

雖然0201尺寸的器件還不能確定什么時(shí)候會(huì)面市，但可以預(yù)見將來會(huì)出現(xiàn)0201尺寸的器件。對(duì)這些SIM卡，常用分立的高速抑制芯片來保護(hù)I/O、時(shí)鐘、復(fù)位引腳，而VCC電源引腳則采用多層壓敏電阻或瞬態(tài)抑制器件來實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

由USB、HDMI、DVI以及其他的高速接口帶來的更快的數(shù)據(jù)通信速率，使得過去傳統(tǒng)的ESD解決方案不再有效。多層壓敏電阻和基于硅的瞬態(tài)電壓抑制器件具有太高的電容，導(dǎo)致無法保證高速數(shù)據(jù)通信時(shí)的不失真和插入損耗。新型的基于間隙的器件將有效電容大大降低，達(dá)到0.05pF或者更低。此外，基于間隙的器件可提供非常低的漏電流和極高的穩(wěn)定性，甚至可以經(jīng)受上千次的ESD事件。近期的技術(shù)突破使得比聚合物器件具有更低電容和更低觸發(fā)電壓，以及鉗位電壓的基于空氣間隙的ESD抑制器件成為現(xiàn)實(shí)。低觸發(fā)電壓和低鉗位電壓意味著可實(shí)現(xiàn)更精確的保護(hù)，以及更少的來自ESD的能量到達(dá)敏感器件，以得到更長(zhǎng)久的可靠性。[!--empirenews.page--]