保護便攜應用的高速數據線路

手機、數碼相機、MP3播放器和個人數字助理(PDA)等手持產品設計人員不斷面對在更小的外形內提供更多功能的挑戰。集成電路(IC)設計人員通過提高器件的速度和性能同時減小硅器件的尺寸推動了這種趨勢,使空間受限的便攜電子產品能夠使用支持增添的功能所需要的高速數據線路接口。但其代價如何呢?為了實現便攜應用在較小面積上提供更高的功能，IC技術使用了更小的幾何尺寸和更低的工作電壓，使它們對靜電放電(ESD)電壓損壞越來越敏感。這種趨勢對終端產品的可靠性有負面影響，會增加現場故障的可能性。同時，便攜設備設計人員得找到一種片外ESD保護解決方案，結合低電容和低ESD鉗位電壓，且所采用的封裝小到足夠適應當今尺寸日益縮小的便攜電子應用。

選擇有效的ESD解決方案之考慮

選擇有效的便攜電子產品高速應用ESD解決方案有三項主要考慮因素，分別是尺寸、電容和ESD鉗位能力。封裝尺寸要求由設計人員確定，但對便攜產品而言一個通用準則是“越小越好”。

對于高速數據線路來說，增加電容可能降低信號完整性。電容可能通過設計元件以及電路板本身來增加數據線路，當設計人員開始增添ESD保護功能時僅有極少空間剩下用來增加額外電容。每項設計各不相同，并且對ESD保護電容的要求可能也不相同，具體取決于其它設計元件所使用的總電容預算為多少，不過一個通用的準則是電容越低越好。

本文將集中討論便攜應用最常用的高速接口，即USB2.0(480Mb/s)。在這個數據率，保護解決方案必須擁有低于1.5pF的電容，這樣才能保持數據線路的完整性。

選擇有效的ESD解決方案的最終考慮因素在于ESD鉗位能力。ESD保護器件的目的在于將數千的ESD輸入電壓降低至IC受到保護的安全電壓，并將電流與IC分流開來。雖然所需ESD波形的輸入電壓和電流在過去幾年未曾變化，但保護IC需要的安全電壓電平卻降低。過去，IC設計對ESD而言更為強固，能夠處理更高的電壓，因此任意選擇能夠在IEC61000-4-2 level 4要求下存續的保護二極管就足夠了。而面對更新、更加敏感的IC，設計人員如今不僅需要確保保護器件能在IEC61000-4-2 level 4標準下存續，還需要確認保護器件將在足夠低的電壓對ESD脈沖進行鉗位，以此確保IC不被損壞。當為給定應用選擇最佳保護器件，設計人員必須考慮ESD保護器件對入侵ESD如何鉗位。IC敏感度因設計不同而不同，但關于鉗位電壓的一個通用準則是“越低鉗位電壓越好”。

當選擇ESD保護元件時，封裝尺寸和電容能夠通過查看產品數據表來輕易確定。然而，鉗位電壓要定義起來則有點麻煩，因為沒有相關標準規定如何在ESD事件中測量鉗位電壓。本文接下來將集中討論如何檢測ESD保護二極管的鉗位電壓。

ESD波形

在系統級定義典型ESD事件的最常用波形是IEC61000-4-2波形，這種波形特別之處在于其亞納秒上升時間和大電流電平。這種波形的規范涉及4個等級的ESD脈沖幅度。大多數設計人員需要使產品合乎最高等級的8kV接觸放電或15kV空氣放電要求。

多數ESD保護元件的數據表會標明符合IEC61000-4-2規范的最大額定電壓，這顯示元件不會被指定等級的ESD脈沖所損壞。但是，這個額定電壓并不會給出任何有關ESD等高頻、大電流瞬態事件的鉗位電壓信息。與數據表上規定的直流(DC)擊穿電壓相比，這些瞬態事件發生時保護二極管的鉗位電壓在很大程度上更高。但要規定IEC61000-4-2規范的鉗位電壓較難，因為它被擬定成為一個系統級的通過/不通過規范。為了將這個規范運用到保護元件上，很重要的是不僅要檢查保護元件是通過還是不通過，還要看它怎樣鉗位ESD電壓至低位以及它在保護敏感元件方面表現如何。

比較保護二極管鉗位電壓的最佳途徑是采用示波器來對發生ESD事件期間通過二極管的實際電壓波形進行屏幕截圖。這可以通過圖1所示的測試設置來實現。

捕獲ESD鉗位電壓屏幕截圖的測試設置

這個測試設置將給出發生ESD事件時通過保護元件的電壓波形，這波形將顯示沿著這條線路的IC在ESD事件期間將遭受的電壓電平。當查看IEC61000-4-2測試中ESD保護器件的電壓波形時，可以發現通常有一個初始電壓尖峰以及跟隨在后面的第二個尖峰，而最終電壓波形將趨向水平。初始電壓尖峰是由IEC61000-4-2波形中的初始電流尖峰和測試結構導致的過沖所造成。但是，初始尖峰持續時間較短，這就限制了傳遞至IC的能量。保護器件的鉗位性能在初始過沖之后的曲線中得到最佳顯現。第二個尖峰是主要問題所在，因為這時的電壓波形持續較長時間，增加了IC將遭受的總能量。在下面的研究中鉗位電壓定義為第二個尖峰的最大電壓。

高速數據線路保護的選擇

有兩種主要的ESD保護選擇擁有面向便攜應用USB2.0高速保護的適合尺寸和電容規范，分別是無源和硅器件。在下面的基準研究中我們將查看這兩種類型產品在常見示例下的關鍵規范。為了進行公平的比較，我們將使用的選項中的各種技術都采用相同的封裝尺寸。

無源保護器件

技術：基于Tyco/Raychem聚合物的壓敏電阻單線保護

封裝尺寸：1.0×0.5mm(也稱作0402)

數據表上規定的電容：0.25pF

技術：Innochips“ESD抑制器”單線保護

封裝尺寸：1.0×0.5mm(也稱作0402)

電容：0.15pF

硅保護器件

技術：Semtech Railclamp單線保護

封裝尺寸：1.0×0.6mm(也稱作0402)

電容：0.3pF

技術：安森美半導體“集成ESD保護”單線保護

封裝尺寸：1.0×0.6mm(也稱作0402)

電容：0.5pF

分析

所有這些選項都利用了流行的超小型0402尺寸封裝進行檢測，這個尺寸封裝小到足以適合大多數的便攜設計。它們也都擁有遠低于1.5pF要求的電容。對于USB2.0高速版480Mb/s的數據率而言，任何低于1pF的電容都將能夠保持數據線路的信號完整性，任何的差別都難以察覺。這些產品的關鍵性能差異點就在于ESD鉗位性能。無源元件在ESD事件期間擁有最高的鉗位電壓，達到67V到超過70V。Semtech硅保護器件的鉗位電壓為正脈沖45V而負脈沖時44V。安森美半導體的硅保護器件在正ESD脈沖時將ESD事件鉗位至15V而在負ESD脈沖時鉗位至10V。