保護敏感IC元件

　　為了成本，集成度和性能等指標，采用高速串行數據接口，并且減小半導體制造布局是非常有必要的。但這種較小的器件更容易受到較低電壓和電流所造成的靜電損傷。另外，用于高速數據線上的低電容ESD保護器件在電容減小的同時，動態電阻會變大，這會使它們保護系統敏感IC元件的能力變差。

　　對于傳統的ESD保護方案，強大的靜電放電保護與良好的信號完整性是一對矛盾。有一些ASIC根本無法在保證信號完整性的同時，有效地進行ESD保護。

　　數據表說明書

　　系統設計者通常用器件數據表上標注的ESD等級來比較其ESD保護能力。然而這些等級僅僅適用于單獨的ESD器件，而不代表它們所在的工作系統。

　　一個ESD等級標注為8kV的設備，可能會使2kV或者更低的系統級測試失敗。有時，一個標注為15kV的器件對系統提供的保護可能還不如一個8kV的器件。大多數系統設計者用來比較ESD器件的主要參數根本無法顯示實際的系統層次的性能。

　　系統IC常常會因為過電壓、過電流或者同時受到兩者的作用而受損。很多系統設計者都知道連續電壓會使IC遭到損傷，卻沒有意識到大電流往往是ESD損傷的真正原因。

圖1 在傳統的ESD保護體系中，靜電放電保護與信號的完整性是一對矛盾

　　ESD保護器件可以將大部分電流引入地下，并且將作用于ASIC之上的電壓限制在擊穿電壓之內。理論上，我們可以通過比較它們的鉗位電壓和剩余電流（未被ESD器件分流的電流），來比較ESD器件的性能。但是，實際情況卻遠不是如此。

　　鉗位電壓

　　在實際測試中，廠家所發布的鉗位電壓是在給器件施加一個上升時間為   8μs，持續20μs的脈沖的情況下確定的。

　　大多數產品數據表所示的鉗位電壓都是通過對器件施加1A脈沖確定的，有時也會采用電流強度更高的脈沖。這種脈沖可重復獲得，并易于測量，因此被廣泛采用。但不幸的是，這種脈沖并不等價于ESD脈沖。ESD脈沖只有1ns的上升時間，持續60ns。除此之外，IEC 61000-4-2第4級電擊中，峰值電流為30Ａ的鉗位電壓和在1A脈沖作用下也有很大區別。

　　采用標準1A脈沖，大多數半導體ESD保護二極管的鉗位電壓一般都會標注在8～15V之間。但在8kV的IEC 61000－4－2標準測試中，這些二極管的峰值鉗位電壓則會達到50～100V，這是由二極管的其他特征，如動態電阻值所決定的。

　　有一些ESD制造商還會提供ESD脈沖波形圖，但是這同樣很容易讓人誤解。例如，制造商經常采用衰減器來保護測試儀器不受損傷。可是數據表中的波形圖并沒有將衰減器的影響包括在內，這會使標注的鉗位電壓存在5～10倍的誤差。

　　雖然不能僅僅通過大多數數據表上提供的鉗位電壓來比較ESD的性能，但是，通過仔細閱讀分析它，我們卻可以了解器件的相對性能。

　　其他因素

　　被保護ASIC的鉗位電壓基于幾項因素，包括ESD二極管的擊穿電壓，二極管的動態電阻以及流過二極管的電流量。雖然數據表上標注的鉗位電壓并不準確（通過對其施加8～20μs的脈沖電壓來實現，與實際ESD脈沖有很大區別），但是我們同樣可以恰當地利用它們來比較器件的性能。

　　在簡化模型中，鉗位電壓會隨著電流線性增加，這個函數的斜率就是二極管的動態電阻。

　　大多數ESD器件制造商都會提供1A鉗位電壓值，動態電阻值，或者兩個不同電流強度時的鉗位電壓值。這樣，我們很容易就能計算出器件的動態電阻。例如，一個器件在1A電流下的鉗位電壓為10V，而在5A電流下鉗位電壓為15V，那它的動態電阻就等于(15-10)/(5-1)=1.25Ω

　　動態電阻值是確定實際鉗位電壓時最重要的因素。考慮兩種器件，一個在1.0A電流強度下具有8V鉗位電壓的器件，一個在1.0A電流強度下具有10V鉗位電壓的器件，哪一個在ESD沖擊中的表現會更好？

　　8V的鉗制也許看起來會更好，但這或許不是真的。假如Ｂ器件（10V鉗位電壓）的動態電阻僅為1Ω，而8V鉗位電壓器件的動態電阻達到了2Ω，那么30A的電流下，Ａ器件的鉗位電壓就為8＋29×2＝66V，而器件Ｂ卻為10 + 29×1 = 39 V。這樣Ｂ就成為更好的選擇。

　　通過ASIC的電流大小也與保護電路的動態電阻有關。當電路的動態電阻增加時，被保護器件中的電流也會成比例增加，從而導致ESD損傷的可能性增大。

　　設計者應該選擇一種保護器件，使它分流盡可能多的電流，并使通過ASIC的剩余電流盡可能的減小。這個電流會隨著系統的不同而不同，所以不能按數據表上的值照搬。不幸的是，很多情況下，ESD保護器件制造商不會為用戶提供直接的動態電阻值。不過這可以通過幾組鉗位電壓值來估計。

　　通常，ESD二極管的動態電阻在1～3Ω之間，而變阻器和干擾抑制器之類的其他器件的動態電阻則有20～40Ω。可見，ESD二極管是靜電放電保護的最好選擇。

　　傳統的ESD保護措施

　　圖1所示是發生擊穿時，傳統的、單級ESD保護器件所起的作用。其中包括：（1）電壓被鉗制在一個較低的水平，以盡量減小ASIC兩端的電壓。（2）保護器件將電流旁路至地面，避開了ASIC元件。（3）ESD電擊結束后，保護器件將恢復到高阻狀態。有些器件，比如聚合物，可能需要24小時才能恢復到初始狀態，所以理解這個特性非常重要。

　　減小ESD保護器件的動態電阻將會減小ASIC兩端的鉗位電壓，并會減小漏電流。隨著最新的ASIC元件越來越敏感，傳統的ESD保護方案已經無法為一些ASIC提供足夠的保護。

　　新型解決方案

　　CMD的PicoGuard XP等方案的特點是一種創新的兩級設計，將兩級ESD保護和電阻串聯，放在同一個封裝內，以減少到達ASIC的電流。它的工作原理如下：

　　● 系統從第一級開始鉗制。第一級的漏電流通過串聯電阻進入系統的第二級。

　　● 第一級漏電流中的大部分都被第二級從連接到ASIC的通路中分流，與單鉗制保護架構相比，這樣做顯著減少了ASIC處的電流。通過這種二級鉗制，同樣也可以減小鉗位電壓。

　　在一個例子中，采用CM1231，ASIC的鉗位電壓從傳統ESD二極管的6kV以下增加到10kV以上。CM1231是首例采用PicoGuard XP構架的器件。