如何进行高速电路ESD保护

静电放电（ESD）会对电子环境造成毁灭性的后果。事实上，在各种电路的电路封装和组装中，超过25%的半导体芯片损坏归因于所使用的大型电子设备中的ESD。

通常，人体一部分（手指）的放电将带不同的材料，然后转移到连接到电子设备的导电触点。这将导致IC损坏，并有理由指责最终用户设备制造商。

这个问题非常严重，以至于欧盟为在经济区销售的任何商品制定了特殊的ESD抑制标准。设计工程师现在必须为当今更敏感的半导体提供有效的ESD保护。

不幸的是，这项任务通常遵循事后诸葛亮的设计原则：首先，构建一个没有额外过压抑制瞬变的电路，并依靠板载IC进行保护。如果测试可以显示原型台的灵敏度，则添加保护装置。如果采用这种方法来满足当今更低的放大电压、更高的频率和更低的噪声要求，那么整个设计必须是优化和集成的。由于时间限制，最终增加保护可能非常昂贵或不切实际。

通常，ESD事件由三种主要的ESD算法描述，基于充电过程的类型和瞬态电泳的严重程度：人体模型（HBM），充电设备模型（CDM）和机器模型（MM）。这些模型定义了瞬态效应的类型，因此设计人员可以定义半导体过压芯片的清晰瞬态灵敏度，以及芯片和组装产品的测试程序。使用这些模型，电路设计人员可以测试芯片是否具有与产品相同的ESD保护效率，并且可以与替代方案进行定量比较。

电荷的转移直接通过一系列电阻器，就像人的手指一样，是ESD损坏的最常见原因。因此，优秀的ESD模型是HBM。在测试期间，被测器件（DUT）由一个100pF电容表示，该电容通过1500Ω电阻放电到器件中。该标准的商业版本是军用规范883方法3015（图2a）。

最流行的HBM变体是国际电工委员会IEC1000-4-2标准，定义为通过150Ω电阻放电的330pF电容器。（图2b）这是欧盟在其地区销售商品所必需的国际测试。

然而，两种模型都存在明显的瞬时电压威胁和能级差异。然后，设计工程师可以根据他们正在寻找的特定应用调整测试过程。例如，IEC1000-4-2具有非常快的电平脉冲上升时间，允许更多的脉冲和更高的峰值电流（见表2）。

最近，电路设计人员通过许多瞬时电压抑制器（TVS）器件增加了保护。一些示例包括固态器件（二极管）、金属氧化物压敏电阻 （MOV）、可控硅整流器、其他可变电压材料（新型聚合物器件）、气管和简单的火花隙。

此类器件放置在输入和接地之间。当输入电压达到导致它们“打开”或打开的电平时，它们可以快速降低阻抗。理想情况下，输入威胁部分反射回来，平衡部分通过导电TVS设备转移到地面。因此，电路中只有一小部分威胁可以到达敏感IC。

然而，ESD抑制器件也有其自身的优点和缺点，随着新一代高速电路的出现，一些缺点被放大了。例如，TVS必须快速响应输入的浪涌电压。当浪涌电压在8.0 ns时达到7 kV（或更高）的峰值时，TVS器件触发或调整电压（与输入线平行）必须足够低，以充当有效的分压器。

一些保护装置仅在几个电流脉冲和/或落入低电阻（短路）条件后老化，从而产生从电路到地的大载流路径。这对电池供电的设备来说是致命的。

每个设备都有自己的差异。气体放电管可以通过大电流，但响应速度很慢。它们也会老化，无法恢复。MOV可以为高速电路提供相对较慢的开机响应。硅二极管触发非常快和低导通状态电压，但它们具有与MOVS和其他器件相同的高电容，影响高速信号。

频率越高，电容效应越大。新型ESD变压器是目前唯一具有极低电容和极低关断漏电流的变压器。此外，它们在多次脉冲后恢复自我。

现在考虑成本因素。设计工程师尽可能降低非主要组件的成本。由于供过于求，二极管的价格一直很低。一些新的高频聚合物器件在价格上也非常具有竞争力。

过去，几个主要的设计考虑因素简化了ESD抑制器问题。工作电压更高，更慢，更坚固的IC对浪涌电压不太敏感。较低的工作频率也意味着较低的保护速度。同时，具有更高阻抗和引脚元件的电路、更多的金属封装和更少的外部节点使事情变得更加容易。

但电子行业已经发生了变化。消费电子行业在爆发式发展中，出现了更多的手持设备。该器件的工作频率已从几kHz上升到GHz，导致ESD保护中使用的高容量无源元件出现设计失真问题。此外，芯片的工作电压正在降低，有助于大大提高对任何高能量瞬变（固定节点的加热/解冻）的灵敏度。同时，新的高频数字器件需要非常低的关断漏电流来降低噪声。

在低成本生产环境中，降低成本是所有电路元件的主要目标。因此，有效的ESD抑制器应为设计工程师提供以下主要优势和特性（不一定按重要性排序）：

成本效益;

在不牺牲性能的情况下保护新的消费电子音频和视频I / O线路和RF连接端口;

保护新的通信链路硬件

在很宽的工作频率范围内具有稳定的器件特性;

低于1pF的电容器用于工作频率为几GHz的超宽带电路;

漏电流处于关断状态最小，以降低噪声;

减少ESD抑制元件引起的工作电路信号失真和衰减;

为了提供有效的保护，触发和箝位特性要符合电路器件的要求;

具有所需的装配功能，外形尺寸和PCB封装，易于在高速自动化装配线上使用;

在各种可选器件中，最好在不改变电路板的情况下具有很高的互换性;

产品使用寿命期间可靠性高。

无论选择哪种TVS器件，它们在电路板上的位置都很重要。TVS布局前的导线长度应最小化，因为快速（0.7 ns）ESD脉冲可能会产生额外的电压，从而导致TVS保护恶化。

TVS的特点：快速响应（对于ns级别）;浪涌承受能力比放电管和压敏电阻强，10/1000μs波脉冲功率从400W~30KW，脉冲峰值电流从0.52A~544A;击穿电压从6.8V~550V系列值，便于使用各种不同的电压电路。

此外，快速ESD脉冲可能会在电路板上的相邻（并联）导体之间感应出感应电压。如果发生这种情况，它将不受保护，因为感应电压路径将是浪涌到达IC的另一条路径。因此，受保护的输入行不应放置在其他单独的、不受保护的迹线旁边。推荐的ESD抑制器件PCB布局应为：在将被保护的IC放置在尽可能靠近连接器/接触PCB侧之前，在与信号线串联的任何电阻之前，在包含保险丝的区域过滤或调整器件之前，以及其他可能有ESD的地方。

随着业界对在高频电路中采用ESD抑制越来越感兴趣，人们已经研究了消费电子产品中的一些大型器件。比较数据显示，尽管低成本硅二极管（甚至变阻器）的触发/箝位电压非常低，但它们的高频容量和漏电流并不能满足不断增长的应用需求。

另一个重要要求是ESD抑制器对电路信号特性的影响最小。聚合物ESD抑制器的测量显示，在高达0 GHz的频率下，衰减小于2.6 dB，因此它们对电路几乎没有影响。

此外，商业产品在所有不同的硬件接口位置都需要ESD浪涌保护。例如，一些较新的计算机和高端消费电子产品可能包括大部分或全部这些互连，如下所示：以太网、USB1.1/USB2.0、IEEE-1394/1394b、音频/视频/射频，以及传统RS-232、RJ-11等端口音频/视频/射频端口。所有传统的保护装置都得到了不同程度的成功应用。然而，当今不断提高的工作频率为聚合物抑制器等超低电容器件奠定了基础。

USB 2.0 协议具有 00 Mbps 的快速数据传输速率。因此，配备 USB 2.0 功能的设备在采用 SurgX 技术的超低电容聚合物器件的保护下将具有最佳性能（图 3b）。与使用齐纳二极管或多层压敏电阻相比，这将产生更少的数据失真。

此外，许多新的消费电子设备执行快速的IEEE-1394 / 1394b（Fireware）数据转换协议。这种非常高的数据速率（1600 Mbps，1394b）需要低电容ESD抑制器，例如聚合物浪涌器件。测试数据显示，聚合物 ESD 抑制器产生的信号失真比硅二极管器件保护 Firewire 端口的信号失真更少（图 4a）。