ESD静电保护元件的分析

来源：罗姆半导体社区

静电保护元件(ElertroStatic Discharged Protection)简称ESD，是一种过压保护元件，是为高速数据传输应用的I/O端口保护设计的器件。RLESD保护器件是用来避免电子设备中的敏感电路受到ESD(静电放电)的影响。可提供非常低的电容，具有优异的传输线脉冲（TLP）测试，以及IEC6100-4-2测试能力，尤其是在多采样数高达1000之后，进而改善对敏感电子元件的保护。静电保护元件被广泛应用于HDMI接口、便携式视频设备、LCD等离子电视、USB2.0和IEEE1394接口、GPS系统、便携设备（PDA、DSC、蓝牙）、打印机接口、卫星接收器、DVI、天线等进而改善对敏感电子元件的保护。

目前市面上已经存在多种ESD保护器件，但最常用的可分成三大类：聚合体、压敏电阻/抑制器和二极管。选择合适的ESD保护器件，最大的难点在于如何最容易地明确哪种器件可以提供最大的保护。系统供应商一般是通过数据手册上的ESD额定值(或标称值)来比较ESD保护器件的好坏。事实上，从这些额定值根本看不出器件保护系统的能力有多强，关键取决于其它二极管参数。

除了保护器件的ESD标称值外，电压值(箝位电压)和ASIC端有多大电流(剩余电流)也是关键因素。ESD保护器件功能是通过将大部分电流短路到地并将ASIC端的电压"箝位"到低于脉冲电压的值来实现的。确定箝位电压和剩余电流不是一项很容易的任务。在大多数ESD保护数据手册中引用的箝位电压(如果手册中包括这条信息)很容易让人产生误解。而数据手册中从来没有剩余电流这一项，因为它与系统版图有关，与器件本身无关。而作为替代参数的保护电路的动态电阻(Rdyn)则有助于比较器件，因为具有较低电阻的器件可以分流较大比例的电流。遗憾的是，这个动态电阻值在保护器件的数据手册中通常也不见踪影。

一、聚合体器件

虽然聚合体器件对高频应用来说相当有吸引力，因为它们的亚皮法电容值只有0.05~1.0pF，但这么低的电容也会带来一些略微的副作用。与二极管不同的是，聚合体器件要求端电压达到触发电压时才击穿，而这个触发电压要比箝位电压高出许多。典型的聚合体ESD器件在500V之前是不会击穿的。一旦击穿后它就会迅速跳到最高达150V的箝位电压，当电荷释放掉后，聚合体将返回高阻状态。不过这一过程可能要花数小时甚至一天的时间，因此它们对消费类应用来说没有吸引力。这些器件在制造中很难精确表征，其数据手册通常只包含典型参数值，而不提供最小和最大保证值。另外，由于它们在物理上是属于柔性器件，因此它们的性能会随着遭受ESD脉冲数量的增加而下降。

二、压敏电阻和抑制器

压敏电阻和抑制器是非线性的可变电阻。虽然它们相对来说不贵，但抑制器通常具有高触发电压、高箝位电压和高阻抗特性，从而使得大多数能量会到达受保护的器件，而不是分流到地。典型的低电容抑制器的箝位电压范围在150~500V。低电容抑制器的典型动态电阻是20~40Ω。由于其高阻抗特性，几乎所有 ESD冲击电流都会传递到"受保护"器件而不是分流到地。

三、半导体二极管

另外一种ESD保护方法是采用半导体二极管。ESD保护二极管被表征为低箝位电压、低阻抗、快速导通时间和更好的可靠性。通常半导体二极管可以提供最好的ESD保护，而且现在的二极管已经可以做到1pF的等效电容，因此已经成为可靠的ESD保护和良好的信号完整性的最佳选择。

四、ESD静电保护元件分析

任何保护元件在正常工作期间必须作为高阻抗电路出现在受保护的输入端。它所施加的电容负载必须尽可能的小，使得对正常的输入信号几乎没有影响。然而, 在过压的瞬间，同一器件必须成为能量的主要通路，把能量从被保护器件的输入端转移出去。此外，保护器件的安全(standing-off)电压必须高于受保护端所允许的最大信号电压。同样，其箝位电压必须低到足以防止所保护的器件遭受损坏，这是由于在瞬态发生期间，输入端上的电压将是保护器件的箝位电压。

我们常常会看到介绍ESD静电保护器、ESD静电阻抗器、ESD静电释放器、贴片压敏电阻等产品，但其实保护器件最关键的参考系数应该是下面三项：

1. 快速响应时间

2. 低箝位电压

3. 高电流浪涌承受能力

无论产品被介绍得多么优异，在选择ESD静电保护元件时，仍应该细致地做好实际的对比，以及运用IEC61000-4-2测试来做验证。符合测试要求的标准，不是越高越好，而是适合自已的产品，例如：空气放电15KV 接触 8KV。目前行业惯例是根据8us上升时间和20us持续时间的脉冲公布箝位电压的，而真正的ESD脉冲应该是1ns上升时间和60ns的持续时间。

审核编辑 黄昊宇