高速电路如何才能得到有效的ESD保护？

静电放电(ESD)会给电子器件环境会带来破坏性的后果。事实上，在各种各样电路的电路封装和经过装配、正在使用大电子器件中，超过25%的半导体芯片损坏归咎于ESD。这个问题非常严重，以至于欧盟(European Union)已经为任何在经济区销售的商品制定了特殊的ESD抑制标准。现在设计工程师必须为当今更敏感的半导体提供有效的ESD保护。

 

通常情况下，来自人体某个部分(手指)的放电将给给不同的材料充电，随后传递到附着在电子器件的导电触点。这将造成IC损坏，并有理由指责终端用户器件制造商。

 

不幸地是，这项任务经常遵循事后回想的设计原则：首先搭建没有额外过压瞬间抑制的电路，依靠板上的IC来进行保护。如果测试能显示在原型阶段的灵敏度，那么就加上保护器件。如果这种方法被采用来满足当今更低放大电压，增加频率和更低噪声的要求的话，整个设计必须最优的并是集成的。在末端增加保护可能非常昂贵，或由于时间限制而不切实际。

 

通常，ESD事件是由根据充电过程类型和瞬态电泳严重程度的三种主要ESD算法描述的：人体模型(HBM)、充电器件模型(CDM)和机器模型(MM)。这些模型定义了瞬变效应的类型，因此设计工程师们就可以定义明确的半导体过压芯片瞬变等级灵敏度，以及芯片及装配产品测试规程。利用这些模型，电路设计工程师可以测试芯片和产品的ESD保护效率相一致，而且可以定量地与可选方案进行比较。

 

电荷通过一系列电阻器直接传递，例如人的手指，是最普遍的ESD损坏原因。因此，优秀的ESD模型是HBM。在测试中待测器件中(DUT)，这是由一个100pF的电容通过一个1500Ω的电阻向器件放电来表示的。这个标准的商业版本是军用规范883方法3015(图1a)。

 

 

最流行的HBM变种是国际电工委员会IEC1000-4-2标准，定义为150pF电容通过一个330Ω电阻放电(图1b)。这是欧盟对在其区域内商品销售所必须的国际测试。

 

但是，明显的瞬间电压威胁和能量等级的不同存在于两个模型之中。于是设计工程师可以使测试过程适合他们所期望的具体应用。例如，IEC1000-4-2具有一个非常快速的电平脉冲上升时间，能应用更多的脉冲和更高的峰值电流(见表格)。

 

 

最近，电路设计工程师已经正在通过一定数量的瞬间电压抑制器(TVS)器件增加保护。一些例子包括固状器件(二极管)、金属氧化物变阻器(MOV)、可控硅整流器、其他可变电压的材料(新聚合物器件)、气体电子管和简单的火花隙。

 

这类器件被放置在输入端和地之间。当输入电压达到引起它们“开路”或导通的水平时，它们能迅速把阻抗降低。理想地，输入威胁被部分地反射回去，而平衡被部分地通过导通的TVS器件分流到地上。所以，在电路中只有更小比例的威胁能够达到敏感的IC。

 

但是ESD抑制器件也有着其自身的优缺点，随着新一代高速电路的出现，一些缺点被放大了。例如，TVS必须迅速响应到来的浪涌电压。浪涌电压在0.7ns达到8KV(或更高)峰值时，TVS器件的触发或调整电压(与输入线平行)必须要足够低以便作为一个有效的电压分配器。

 

一些器件可保护电路，但在仅几次电流脉冲和/或陷入进入低阻(短路)状态后就老化了，形成电路到地的大电电流通道。这点对由电池驱动的器件来说是致命的。

 

每个器件有其自身的差异。气体放电管可通过大电流，但是响应速度很慢。它们也会老化且不能恢复。MOV能为高速电路提供相对缓慢的导通响应。硅二极管的触发响应速度非常快，导通电压低，但它们像MOVS和其他器件一样，电容比较高，从而影响高速信号。

 

频率越高，电容效应就越大。全新的ESD变压器件是当前仅有能够提供极低电容和非常低关断漏电流的产品。此外，在多次脉冲之后它们能自我恢复。

 

现在考虑成本因素。设计工程师尽可能地把非主要器件的成本降到最低。由于供大于求，二极管的价格一直以来都很低。一些新的高频聚合物器件的价格也十分有竞争力。

 

过去几个主要的设计因素简化了ESD抑制器问题。工作电压更高、速度更慢、更鲁棒的IC对浪涌电压不那么敏感。更低的工作频率也意味着保护速度不那么重要。同时，阻抗更高线路和引脚元件的电路、金属更多的封装以及更少的外部节点，也使事情变得更加简单。