中心議題：

• ESD保護方法
• 常見ESD保護元件分類
• 不同便攜應用的ESD保護解決方案

解決方案：

• 第一是標準ESD保護
  ，滿足大功率(高於100瓦)
• 第二是高速ESD保護
  ，要求數據傳輸率更快
• 第三個是超高速ESD保護

在人們的日常工作生活中

，靜電放電(ESD)現象可謂無處不在，瞬間產生的上升時間低於納秒(ns)、持續時間可達數百納秒且高達數十安培的電流，會對手機、筆記本電腦等電子係統造成損傷。
　　
對於電子係統設計人員而言
，如果沒有采取適當的ESD保護措施，所設計的電子產品就會有遭到損傷的可能。因此，電子係統設計中的一項重要課題便是確保使其能夠承受ESD的衝擊
，並繼續正常工作。
　　
ESD保護方法
　　
為了給電子係統提供ESD保護，可以從不同的角度來著手。一種方法是在半導體芯片內建ESD保護架構。不過，日趨縮小的CMOS芯片已經越來越不足以承受進行內部2kV等級的ESD保護所需要的麵積。安森美半導體標準產品部亞太區市場營銷副總裁麥滿權指出：真正有效的ESD保護是不能完全集成到CMOS芯片之中的！
　　
其次，也可以在物理電路設計方麵下功夫

，較敏感的電路元件應該盡量遠離通孔或接縫處
，如果可能的話
，線纜連接
器的接地應該要在係統信號引腳接觸前先連接到係統的接地，通過這樣的方式
，線纜上所發生的放電事件就比較不會造成幹擾或破壞。
　　
此外
，軟件也能夠為ESD設計作出貢獻。係統連接的感測器比較容易受到ESD的衝擊，造成接口電路的鎖住情況，而能夠感測鎖住情況的軟件則可以用來重置接口電路且無須操作人員的接入。
　　
不(bu)過(guo)，總(zong)是(shi)有(you)部(bu)分(fen)電(dian)路(lu)點(dian)較(jiao)為(wei)敏(min)感(gan)，同(tong)時(shi)也(ye)很(hen)難(nan)與(yu)外(wai)部(bu)隔(ge)離(li)。因(yin)此(ci)，最(zui)有(you)效(xiao)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)使(shi)用(yong)保(bao)護(hu)元(yuan)件(jian)來(lai)將(jiang)電(dian)流(liu)導(dao)離(li)較(jiao)敏(min)感(gan)的(de)元(yuan)件(jian)。也(ye)就(jiu)是(shi)在(zai)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)連接器或端口處放置ESD保護元件，使得電流流經保護元件，且不流經敏感元件
，以維持敏感元件的低電壓，使其免受ESD應力影響
，進入有效控製ESD事件的發生，如圖1所示。當然
，合格的ESD元件必須具有低泄漏和低電容，且在多重應力作用下功能不下降，從而不降低電路的功能。

圖1：典型的ESD保護元件應用電路圖
　　
常見ESD保護元件分類
　　
安森美半導體來自美國的ESD保護專家RobertAshton博士說，一般而言，ESD保護元件的分類可以通過其保護策略與方向性來進行
，主要包括壓敏電阻、聚合物和瞬態電壓抑製器(TVS)等，如表1所示。在這幾種保護元件中
，壓敏電阻在低電壓時，呈現出高電阻
，其中的每個小型二極管兩端的電壓都相當低，同時電流也相當小
；而在較高電壓時，其中的獨立二極管開始導通，同時壓敏電阻的電阻會下降。從表1中我們也可以看出壓敏電阻為雙向保護元件。而對於帶導電粒子的聚合物而言，在正常電壓下，這些材料擁有相當高的電阻，但當發生ESD衝擊時
，導電粒子間的小間隙會成為突波音隙陣列，從而帶來低電阻路徑。
　　
瞬態電壓抑製器(TVS)則為采用標準與齊納二極管特性設計的矽芯片元件。TVS元件主要針對能夠以低動態電阻承載大電流的要求進行優化
，由於TVS元件通常采用集成電路(IC)方式生產，因此我們可以看到各種各樣的單向
、雙向及以陣列方式排列的單芯片產品。　
　　　
表1：常見ESD保護元件分類

利用屏幕截圖和TLP進行ESD保護元件的大電流性能鑒定
　　
Ashton博士說在正常工作條件下，ESD保(bao)護(hu)元(yuan)件(jian)應(ying)該(gai)保(bao)持(chi)在(zai)不(bu)動(dong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)，同(tong)時(shi)不(bu)會(hui)對(dui)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)能(neng)造(zao)成(cheng)任(ren)何(he)影(ying)響(xiang)
，這(zhe)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)維(wei)持(chi)低(di)電(dian)流(liu)以(yi)及(ji)足(zu)以(yi)在(zai)特(te)定(ding)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸(shu)速(su)率(lv)下(xia)維(wei)持(chi)數(shu)據(ju)完(wan)整(zheng)性(xing)的(de)低(di)電(dian)容(rong)值(zhi)來(lai)達(da)成(cheng)。而(er)在(zai)ESD應力衝擊或者說大電流衝擊條件下

，ESD保護元件的第一個要求就是必須能夠正常工作


，要有夠低的電阻以便能夠限製受保護點的電壓；其次，必須能夠快速動作，這樣才能使上升時間低於納秒的ESD衝擊上升時間。

眾所周知，對於電子係統而言
，它必須能夠在IEC61000-4-2標準測試條件下存續。雖然大部分的ESD保護元件都宣稱能夠承受IEC61000-4-2所指定的應力衝擊等級
，如8kV或第四級(Class4)，但業界卻沒有公認的ESD保護元件大電流抑製特性測試的合格標準。對此
，安森美半導體給出了自己的定義，也就是在±10kV應力電壓(高於8kV)測試下，被測器件仍然符合其數據表規範，且器件特性沒有顯著變化。
　　
不過，要比較不同ESD保護元件的大電流抑製特性
，還需要對其進行測試鑒定。而通過對不同ESD保護元件施加大電流衝擊所產生的波形的屏幕截圖對比，是重要的第一步。


圖3：TVS元件與壓敏電阻在8kVIEC61000-4-2應力衝擊測試下的輸出波形對比

圖3的屏幕截圖就是這樣一個範例。從圖中可以看出
，安森美半導體的TVS元件可以迅速將ESD應力降低，即從8kV靜電電壓鉗位到5至6V的水平；但壓敏電阻的曲線則下降得很慢，而且無法降到很低的水平。該曲線表明，TVS器件的恢複時間非常短，經過TVS器件泄漏到後麵電路的能量也非常少，特別適合於便攜式設備的應用。
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而在多重應力條件下，兩者的差別就表現得更為突出。由於TVS采(cai)用(yong)二(er)極(ji)管(guan)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)，受(shou)到(dao)電(dian)擊(ji)後(hou)
，會(hui)立(li)即(ji)擊(ji)穿(chuan)，然(ran)後(hou)關(guan)閉(bi)
，對(dui)器(qi)件(jian)沒(mei)有(you)損(sun)傷(shang)，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)說(shuo)沒(mei)有(you)壽(shou)命(ming)限(xian)製(zhi)。對(dui)於(yu)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)而(er)言(yan)
，它(ta)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)物(wu)理(li)吸(xi)收(shou)原(yuan)理(li)，每(mei)經(jing)過(guo)一(yi)次(ci)ESD事件，材料就會受到一定的物理損傷
，形成無法恢複的漏電通道；而且
，要達到更好的吸收效果，就要使用更多的材料
，使其體積增加
，進而限製了在今天小型化產品當中的應用。
　　
有鑒於此
，安森美半導體標準產品部亞太區市場營銷副總裁麥滿權先生打了一個比方，也就是在ESD保護方麵，壓敏電阻保護施展的是“少林功夫”
，用“身體(壓敏電阻)”去硬扛
，會讓自己“很受傷”
，而TVS耍的是“太極拳”，在ESD應力衝擊IC之前
，就將衝擊力給“引導開”或“消減掉”。
　　
兩相對比
，其結果是在施加1,000次8kVIEC61000-4-2ESD脈衝條件下，安森美半導體的TVS元件的漏電流小於0.1µA，而壓敏電阻在少於20個ESD脈衝下漏電流就會超過100µA。由此可見，在重複ESD應用作用下，TVS仍能維持極高的性能，而壓敏電阻的性能會隨之下降，聚合物也麵臨著跟壓敏電阻類似的問題。
　　
不過
，用示波器對不同保護元件在ESD應力衝擊測試下的大電流抑製特性或者說是I-V曲線進行屏幕截圖對比也存在不足之處。首先便是這種屏幕截圖上的V(t)與I(t)的變化非常複雜，且並不能測量擊穿電壓

、維持電壓、維持電流以及二次擊穿電流等基礎參數，而通過對這些參數的分析可以找到電路設計和工藝的弱點。

圖4：時域反射(TDR)TLP測試的結構示意圖
　　
在這種情況下，采用傳輸線路脈衝(TLP)方法就是很好的下一步。所謂的TLP測試
，就是一種利用矩形短脈衝(50~200ns)來測量ESD保護元件的電流-電壓特性曲線的方法。這個短脈衝用來模擬作用於保護元件的短ESD脈衝，而恒定阻抗的傳輸線路可以生成恒定幅度的方波。
　　
TLP測試通過方波測試脈衝加到待測器件(DUT)的兩個引腳之間進行測試。TLP測ce試shi前qian要yao先xian對dui電dian路lu中zhong的de傳chuan輸shu線xian路lu充chong電dian，測ce試shi時shi將jiang被bei測ce器qi件jian接jie入ru，傳chuan輸shu線xian路lu通tong過guo被bei測ce器qi件jian放fang電dian。改gai變bian電dian路lu和he輸shu入ru電dian壓ya和he傳chuan輸shu線xian路lu的de長chang度du可ke以yi模mo擬ni在zai不bu同tong能neng量liang中zhong的deESD脈衝
，從而得到器件的ESD大電流抑製能力。TLP測試先從小電壓脈衝開始
，隨後連續增加直到獲得足夠多的數據點

，以作出完整的I-V曲線。通常測試脈衝的幅度會加大到使DUT徹底損傷為止，作而獲得其精確的允許最大脈衝電流。
　　
總的來看，ESD保護元件的TLP測試方法優勢突出，不僅可以確認屏幕截圖數據，還可用於解析ESD保護元件的基礎參數，非常適用於對不同保護元件進行對比。

圖5：不同ESD保護元件的TLP測試I-V曲線
　　
結合ESD脈衝測試和TLP測試，我們可以得出結論，在不同ESD保護元件中，TVS元件

，特別是安森美半導體的TVS元件的大電流導電率極佳
，且在重複應力條件下仍能維持優異性能
，不存在壓敏電阻或聚合物那樣的使用增多後會出現性能下降的問題；至於其在電容方麵的不足
，也隨著新的低電容設計的出現，而消除了早前的大電容問題。
　　
不同便攜應用的ESD保護解決方案
　　
按照TVS電容與傳輸速率的不同

，安森美半導體將便攜應用的ESD保護元件市場劃分為三個區域。第一是標準ESD保護，滿足大功率(高於100瓦)、最低鉗位電壓要求
，適用於鍵區
、按鈕
、電池接頭、充電器接口、旁鍵等的保護，TVS電容在1,000pF至100pF之間；在這方麵
，安森美半導體有ESD5Z5
、ESD9X等單向通用TVS產品。
　　
第二是高速ESD保護，要求數據傳輸率更快、低電容，應用於USB1.1
、USB2.0FS、FM天線、SIM卡和音頻線路等，TVS電容在40pF至5pF；在這方麵，安森美半導體提供了ESD9C和ESD7C等單向TVS、ESD5B和ESD9B雙向TVS、NUP4202和NUP2202等單向ESD保護陣列，以及NUP4xV、NUP8010和NUP5120等雙向ESD保護陣列。

第三個是超高速ESD保護，如USB2.0HS、HDMI、RF天線等


，TVS電容在5pF以下
，電容值與鉗位相反，不可用傳統TVS技術。這方麵
，客戶可以選擇安森美半導體的ESD9單向TVS(電容小於2pF)
、ESD11和ESD9雙向TVS(電容小於0.5pF)、NUP4212和NUP8012單向ESD保護陣列，以及NUP4214雙向ESD保護陣列。

圖6：多層壓敏電阻(MLV)與安森美半導體的TVS矽芯片技術發展趨勢對比
　　
安森美半導體的ESD保護解決方案擁有眾多優勢，如領先業界的超小封裝、符合各種規範及標準的優異性能、可靠的質量及更長的使用壽命等
；此外，安森美半導體還不斷研發，以提供更先進的ESD保護解決方案。

要對電子係統進行ESD保護設計，最有效的方法還是在連接器和端口處放置外部保護元件。在壓敏電阻、聚合物和TVS這幾種常見保護元件中
，前兩者分別在經濟性和低電容方麵占有優勢，但TVS則擁有極佳的導電率
，並且在多重應用作用下仍能維持強勁性能。安森美半導體提供一係列采用先進封裝、擁有極佳性能的TVS元件，分別麵向大功率、高速率和超高速率等應用領域，全方麵滿足客戶的高性能ESD保護需求。