高性能的便携应用ESD保护方案
中心议题:
- 对高性能的便携应用ESD保护方案的讨论
- 采用便携设备最有效的ESD保护方法
- 通过对外部保护元件比较及其性能测试
- 采用安半保护元件的USB 2.0高速应用保
随着手机等便携设备中具备更多的功能，可供静电放电(ESD)电压进入的潜在输入输出(I/O)通道更趋众多，包括键盘、按键、SIM卡、电池充电、USB接口、FM天线、LCD显示屏、耳机插孔、FM天线等众多位置都需要ESD保护。根据电容及数据率的不同，便携设备的ESD保护应用领域可分为大功率、高速和极高速等三个类型，其电容分别为大于30 pF、介于1至30 pF之间和小于1 pF，参见表1。由此表中可见，速度越高的应用要求的电容也越低，这是因为高速应用中更需要维持信号完整性及降低插入损耗。
表1：便携设备ESD保护应用分类及典型保护产品(其中红色字体为领先产品)。
便携设备最有效的ESD保护方法
从保护方法来看，一种可能的选择是芯片内建ESD保护，但日趋缩小的CMOS芯片已经越来越不足以承受内部2 kV等级ESD保护所需要的面积，故真正有效的ESD保护不能完全集成到CMOS芯片之中。另外，虽然通过在物理电路设计及软件设计方面下功夫，可以发挥一些作用，但总有部分重要电路较为敏感，很难与外部隔离，故最有效的ESD保护方法还是在便携设备的连接器或端口处放置保护元件，将极高的ESD电压钳位至较低的电压，以确保电压不会超过集成电路(IC)内氧化物的击穿电压，保护敏感IC。
在正常工作条件下，外部ESD保护元件应该保持在不动作状态，同时不会对电子系统的功能造成任何影响，这可以通过维持低电流以及低电容值来达成。而在ESD应力冲击或者说大电流冲击条件下，ESD保护元件的第一个要求就是必须能够正常工作，要有够低的电阻以便能够限制受保护点的电压；其次，必须能够快速动作，这样才能使上升时间低于纳秒的ESD冲击上升时间。
外部保护元件比较及其性能测试
常见的外部保护元件有压敏电阻、聚合物和硅瞬态电压抑制器(TVS)等，它们所采用的材料分别是金属氧化物、带导电粒子的聚合物和硅。压敏电阻在低电压时，呈现出高电阻，而在较高电压时电阻会下降。带导电粒子的聚合物在正常电压下相当高的电阻，但当遭受ESD应力时，导电粒子间的小间隙会成为突波音隙阵列，从而带来低电阻路径。TVS则为采用标准与齐纳二极管特性设计的硅芯片元件。TVS元件主要针对能够以低动态电阻承载大电流的要求进行优化，由于TVS元件通常采用IC方式生产，因此我们可以看到各种各样的单向、双向及以阵列方式排列的单芯片产品。
