中心議題：

• ESD基礎(chǔ)知識
• ESD帶來的損壞
• SESD保護器件為高速I/O接口提供保護

便攜設(shè)備的持續(xù)小型化與功能提升相結(jié)合，使得系統(tǒng)需要更強有力的保護以免受ESD事件引起的損壞。ESD瞬態(tài)事件可能破壞設(shè)備的運行或者導(dǎo)致潛在的損害和安全問題。小體積、低電容的SESD器件提供了一種簡單的、高性價比成本效益的解決方案。

智能手機的廣泛興起和其種類繁多的應(yīng)用、更快的網(wǎng)絡(luò)速度、以及更加實惠的數(shù)據(jù)計劃現(xiàn)已經(jīng)使移動社交網(wǎng)絡(luò)比桌面社交網(wǎng)絡(luò)更加流行。同時，許多便攜設(shè)備已經(jīng)演變成小型多功能性的計算設(shè)備，已經(jīng)能夠執(zhí)行非常多樣化的任務(wù)。

為滿足日益復(fù)雜的移動用戶的需求，便攜設(shè)備的設(shè)計導(dǎo)致更多的輸入/輸出(I/O)互連的集成。更高的電流密度、更小的晶體管幾何形狀、以及有限的用于芯片保護的可用空間都將導(dǎo)致增加電子元件對諸如靜電放電(ESD)等瞬態(tài)電氣過載事件的敏感性。對于這些有高數(shù)據(jù)流的應(yīng)用，減少這些瞬態(tài)情況的事件的影響以防止現(xiàn)場輸入和設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)損壞是一種重要的設(shè)計考量。

傳統(tǒng)上的ESD保護一般有各種齊納二極管、金屬氧化物可變電阻(MOV)和瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)。然而，由于USB3.0、HDMI 1.3/1.4、eSATA接口、Display Port和數(shù)字視頻接口(DVI)的高數(shù)據(jù)傳輸速率，傳統(tǒng)保護器件的寄生阻抗可能會扭曲和惡化信號的完整性。

最新一代的硅ESD(SESD)保護器件可在空間受限的便攜式電子產(chǎn)品和手機中提供一種合適的ESD保護解決方案，可以幫助設(shè)備通過IEC61000-4–2的第4級測試。這些器件較前一代元件小大約70%。其低電容、低插損和高線性度的電容與頻率比，也有利于最大限度地減少信號衰減。

ESD基本知識

一個ESD事件是在兩個帶有不同靜電電位的物體之間發(fā)生的能量相互傳遞，通過接觸、電離放電或火花放電來完成。材料類型、接觸面積、分離速度、相對濕度和其他因素影響著由摩擦產(chǎn)生的電荷總量。一旦在一種材料中有電荷出現(xiàn)，它就會變成一個“靜電”電荷。這些電荷可能從材料中轉(zhuǎn)移，激發(fā)ESD事件的發(fā)生。

靜電的主要來源大多數(shù)是絕緣體和典型的合成材料，例如：乙烯樹脂、塑料工作平臺、絕緣鞋、成型的木制椅子、透明粘膠帶、氣泡袋和不直接接地的焊錫烙鐵。

如圖1所示：這是一個典型的ESD的特性曲線。為了模擬此類接觸放電事件，一臺ESD發(fā)生器產(chǎn)生了一個ESD脈沖到正處于測試的器件上。這類測試的特點是極短的上升時間和低于100ns的脈沖持續(xù)時間，是一個低能量的靜電脈沖。這些放電事件產(chǎn)生的電壓水平可能極高，因為它們的電荷是不會輕易通過其表面或向其他物體分散。

圖1、ESD發(fā)生器模擬的典型8KV的ESD脈沖。

最常見的ESD來源有：

• 帶電的人體—— 一個人在走路或者有其他動作的時候則可能帶電，如果人身上的電荷通過一個金屬物體、如一件工具釋放時， ESD的破壞會變得特別嚴(yán)重。
• 與地毯摩擦的電纜——如果一條帶電的電纜插入到任何一個帶電觸點時，一次ESD瞬間放電很可能發(fā)生。
• 操作聚乙烯袋—— 電子產(chǎn)品在滑入或者滑出包裝袋或者包裝管槽時，可能會產(chǎn)生靜電電荷，因為設(shè)備的外殼和/或金屬引線與容器的表面發(fā)生了多次接觸和分離。

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ESD帶來的損壞

ESD事故的產(chǎn)生和電子設(shè)備運行的環(huán)境相關(guān)。瞬態(tài)發(fā)生環(huán)境差別很大，在汽車電子系統(tǒng)、機載或船載設(shè)備、空間系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備或者消費產(chǎn)品中有著實質(zhì)性的差異。

隨著筆記本電腦、手機和其他移動設(shè)備越來越廣泛的應(yīng)用，用戶在電纜連接和斷開時將有更大可能觸摸到I / O連接器的引腳。在正常工作條件下，觸摸一個暴露的端口或接口，可以導(dǎo)致超過30kV以上靜電的放電。

小尺寸的半導(dǎo)體器件由于不能承受過高的電壓、過高電流或者是兩者的結(jié)合而被損壞，過高的電壓可能會導(dǎo)致柵氧化層被擊穿，而過高的電流會造成接合點發(fā)生故障和金屬連線熔化。

SESD保護器件為高速I/O接口提供保護

由于IC制造商已經(jīng)采用了更高頻率I/O接口互聯(lián)，他們繼續(xù)縮減晶體管的最小尺寸、互連及其器件中的二氧化硅(SiO2)絕緣層，這導(dǎo)致了在更低能量水平下發(fā)生擊穿損壞的可能性的增加，使得ESD保護成為首要的設(shè)計考慮因素。

基于國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2，大多數(shù)的電子設(shè)備必須滿足抵御最低8kV的接觸放電或者15kV的空氣放電。不幸的是，許多半導(dǎo)體器件無法承受這一級別的靜電沖擊，并可能會造成永久性損壞。為了提高其生存能力，系統(tǒng)中必須設(shè)計芯片外的額外保護電路。

在高速I / O接口的ESD保護設(shè)計中有兩個主要的設(shè)計考慮因素：

• 高速I / O接口的ESD保護電路必須足夠強大，以能夠有效地保護內(nèi)部電路的薄柵氧化層免受ESD沖擊帶來損壞。
• 由于ESD保護器件的寄生效應(yīng)對高速電路性能降低的影響需要最小化。

分立元件走向小型化的趨勢仍在繼續(xù)，這經(jīng)常給設(shè)計師帶來困難和耗時的工程樣機制作和返修挑戰(zhàn)，以及生產(chǎn)工藝的控制問題。TE電路保護部新的SESD器件滿足了高速應(yīng)用的必然需求，也能夠幫助解決裝配和制造挑戰(zhàn)。

如圖2所示：SESD元件用于轉(zhuǎn)移具有潛在破壞性的電荷，使其遠離敏感的電路，并幫助保護系統(tǒng)免于故障。通過將硅器件的優(yōu)勢與傳統(tǒng)的表面貼裝技術(shù)(SMT)無源器件封裝配置相結(jié)合，它們比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體封裝的ESD器件更容易安裝和維修。

圖2、SESD器件有助于保護敏感電路免受ESD的損害。

除了它們的小尺寸外，SESD的雙向操作性可以方便地放置到印刷電路板上，沒有方向的約束并消除了極性檢查的需要。不同于在器件底部采用焊盤的傳統(tǒng)ESD二極管，被動元件式的封裝在器件安放在PCB上后，也可以方便地實現(xiàn)焊接檢查。

ChipSESD的8x20?μs 波形的額定浪涌電流為2A，以及額定等級10kV的ESD接觸放電。其低漏電流(最大1.0μA)降低了功耗和快速響應(yīng)時間(<1ns)可以幫助設(shè)備通過IEC61000-4–2標(biāo)準(zhǔn)的第4級測試。4.0pF(0201封裝)和4.5pF(0402封裝)的輸入電容值，使其適合用于保護以下設(shè)備：

• 移動電話和便攜式電子設(shè)備
• 數(shù)碼相機和攝像機
• 計算機I/O端口
• 鍵盤、低電壓直流電線、揚聲器、耳機和麥克風(fēng)

小結(jié)

便攜設(shè)備的持續(xù)小型化與功能提升相結(jié)合，使得系統(tǒng)需要更強有力的保護以免受ESD事件引起的損壞。ESD瞬態(tài)事件可能破壞設(shè)備的運行或者導(dǎo)致潛在的損害和安全問題。小體積、低電容的SESD器件提供了一種簡單的、高性價比成本效益的解決方案。