高速數(shù)據(jù)線路保護(hù)便攜電子應(yīng)用解決方案

手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器和個(gè)人數(shù)字助理(PDA)等手持產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員不斷面對(duì)在更小的外形內(nèi)提供更多功能的挑戰(zhàn)。集成電路(IC)設(shè)計(jì)人員通過(guò)提高器件的速度和性能同時(shí)減小硅器件的尺寸推動(dòng)了這種趨勢(shì),使空間受限的便攜電子產(chǎn)品能夠使用支持增添的功能所需要的高速數(shù)據(jù)線路接口。但其代價(jià)如何呢？為了實(shí)現(xiàn)便攜應(yīng)用在較小面積上提供更高的功能，IC技術(shù)使用了更小的幾何尺寸和更低的工作電壓，使它們對(duì)靜電放電(ESD)電壓損壞越來(lái)越敏感。這種趨勢(shì)對(duì)終端產(chǎn)品的可靠性有負(fù)面影響，會(huì)增加現(xiàn)場(chǎng)故障的可能性。同時(shí)，便攜設(shè)備設(shè)計(jì)人員得找到一種片外ESD保護(hù)解決方案，結(jié)合低電容和低ESD鉗位電壓，且所采用的封裝小到足夠適應(yīng)當(dāng)今尺寸日益縮小的便攜電子應(yīng)用。

選擇有效的ESD解決方案之考慮

選擇有效的便攜電子產(chǎn)品高速應(yīng)用ESD解決方案有三項(xiàng)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(shè)計(jì)人員確定，但對(duì)便攜產(chǎn)品而言一個(gè)通用準(zhǔn)則是“越小越好”。

對(duì)于高速數(shù)據(jù)線路來(lái)說(shuō)，增加電容可能降低信號(hào)完整性。電容可能通過(guò)設(shè)計(jì)元件以及電路板本身來(lái)增加數(shù)據(jù)線路，當(dāng)設(shè)計(jì)人員開始增添ESD保護(hù)功能時(shí)僅有極少空間剩下用來(lái)增加額外電容。每項(xiàng)設(shè)計(jì)各不相同，并且對(duì)ESD保護(hù)電容的要求可能也不相同，具體取決于其它設(shè)計(jì)元件所使用的總電容預(yù)算為多少，不過(guò)一個(gè)通用的準(zhǔn)則是電容越低越好。

本文將集中討論便攜應(yīng)用最常用的高速接口，即USB2.0(480Mb/s)。在這個(gè)數(shù)據(jù)率，保護(hù)解決方案必須擁有低于1.5pF的電容，這樣才能保持?jǐn)?shù)據(jù)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(hù)器件的目的在于將數(shù)千的ESD輸入電壓降低至IC受到保護(hù)的安全電壓，并將電流與IC分流開來(lái)。雖然所需ESD波形的輸入電壓和電流在過(guò)去幾年未曾變化，但保護(hù)IC需要的安全電壓電平卻降低。過(guò)去，IC設(shè)計(jì)對(duì)ESD而言更為強(qiáng)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(xù)的保護(hù)二極管就足夠了。而面對(duì)更新、更加敏感的IC，設(shè)計(jì)人員如今不僅需要確保保護(hù)器件能在IEC61000-4-2 level 4標(biāo)準(zhǔn)下存續(xù)，還需要確認(rèn)保護(hù)器件將在足夠低的電壓對(duì)ESD脈沖進(jìn)行鉗位，以此確保IC不被損壞。當(dāng)為給定應(yīng)用選擇最佳保護(hù)器件，設(shè)計(jì)人員必須考慮ESD保護(hù)器件對(duì)入侵ESD如何鉗位。IC敏感度因設(shè)計(jì)不同而不同，但關(guān)于鉗位電壓的一個(gè)通用準(zhǔn)則是“越低鉗位電壓越好”。

當(dāng)選擇ESD保護(hù)元件時(shí)，封裝尺寸和電容能夠通過(guò)查看產(chǎn)品數(shù)據(jù)表來(lái)輕易確定。然而，鉗位電壓要定義起來(lái)則有點(diǎn)麻煩，因?yàn)闆](méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如何在ESD事件中測(cè)量鉗位電壓。本文接下來(lái)將集中討論如何檢測(cè)ESD保護(hù)二極管的鉗位電壓。

ESD波形

在系統(tǒng)級(jí)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(shí)間和大電流電平。這種波形的規(guī)范涉及4個(gè)等級(jí)的ESD脈沖幅度。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員需要使產(chǎn)品合乎最高等級(jí)的8kV接觸放電或15kV空氣放電要求。

多數(shù)ESD保護(hù)元件的數(shù)據(jù)表會(huì)標(biāo)明符合IEC61000-4-2規(guī)范的最大額定電壓，這顯示元件不會(huì)被指定等級(jí)的ESD脈沖所損壞。但是，這個(gè)額定電壓并不會(huì)給出任何有關(guān)ESD等高頻、大電流瞬態(tài)事件的鉗位電壓信息。與數(shù)據(jù)表上規(guī)定的直流(DC)擊穿電壓相比，這些瞬態(tài)事件發(fā)生時(shí)保護(hù)二極管的鉗位電壓在很大程度上更高。但要規(guī)定IEC61000-4-2規(guī)范的鉗位電壓較難，因?yàn)樗粩M定成為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的通過(guò)/不通過(guò)規(guī)范。為了將這個(gè)規(guī)范運(yùn)用到保護(hù)元件上，很重要的是不僅要檢查保護(hù)元件是通過(guò)還是不通過(guò)，還要看它怎樣鉗位ESD電壓至低位以及它在保護(hù)敏感元件方面表現(xiàn)如何。

比較保護(hù)二極管鉗位電壓的最佳途徑是采用示波器來(lái)對(duì)發(fā)生ESD事件期間通過(guò)二極管的實(shí)際電壓波形進(jìn)行屏幕截圖。這可以通過(guò)圖1所示的測(cè)試設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

捕獲ESD鉗位電壓屏幕截圖的測(cè)試設(shè)置。

這個(gè)測(cè)試設(shè)置將給出發(fā)生ESD事件時(shí)通過(guò)保護(hù)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(dāng)查看IEC61000-4-2測(cè)試中ESD保護(hù)器件的電壓波形時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)通常有一個(gè)初始電壓尖峰以及跟隨在后面的第二個(gè)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(cè)試結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的過(guò)沖所造成。但是，初始尖峰持續(xù)時(shí)間較短，這就限制了傳遞至IC的能量。保護(hù)器件的鉗位性能在初始過(guò)沖之后的曲線中得到最佳顯現(xiàn)。第二個(gè)尖峰是主要問(wèn)題所在，因?yàn)檫@時(shí)的電壓波形持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)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(gè)尖峰的最大電壓。

高速數(shù)據(jù)線路保護(hù)的選擇

有兩種主要的ESD保護(hù)選擇擁有面向便攜應(yīng)用USB2.0高速保護(hù)的適合尺寸和電容規(guī)范，分別是無(wú)源和硅器件。在下面的基準(zhǔn)研究中我們將查看這兩種類型產(chǎn)品在常見(jiàn)示例下的關(guān)鍵規(guī)范。為了進(jìn)行公平的比較，我們將使用的選項(xiàng)中的各種技術(shù)都采用相同的封裝尺寸。

無(wú)源保護(hù)器件

分析

所有這些選項(xiàng)都利用了流行的超小型0402尺寸封裝進(jìn)行檢測(cè)，這個(gè)尺寸封裝小到足以適合大多數(shù)的便攜設(shè)計(jì)。它們也都擁有遠(yuǎn)低于1.5pF要求的電容。對(duì)于USB2.0高速版480Mb/s的數(shù)據(jù)率而言，任何低于1pF的電容都將能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)線路的信號(hào)完整性，任何的差別都難以察覺(jué)。這些產(chǎn)品的關(guān)鍵性能差異點(diǎn)就在于ESD鉗位性能。無(wú)源元件在ESD事件期間擁有最高的鉗位電壓，達(dá)到67V到超過(guò)70V。Semtech硅保護(hù)器件的鉗位電壓為正脈沖45V而負(fù)脈沖時(shí)44V。安森美半導(dǎo)體的硅保護(hù)器件在正ESD脈沖時(shí)將ESD事件鉗位至15V而在負(fù)ESD脈沖時(shí)鉗位至10V。

與無(wú)源元件相比，具有較低鉗位電壓的硅器件表現(xiàn)得更好。但是，有意思的是，同是硅保護(hù)器件，Semtech的Railclam技術(shù)和安森美半導(dǎo)體的“集成ESD保護(hù)”技術(shù)也有著重要差別。用以實(shí)現(xiàn)每種類型技術(shù)的設(shè)計(jì)技術(shù)能夠確定它們對(duì)ESD脈沖鉗位得怎樣。許多用于降低電容的設(shè)計(jì)技術(shù)伴隨著具有較高ESD鉗位電壓的折衷。為了克服這個(gè)設(shè)計(jì)折衷而不犧牲鉗位電壓性能，安森美半導(dǎo)體運(yùn)用突破性的工藝技術(shù)，將超低電容引腳二極管和大功率瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管集成到單個(gè)裸片上，能夠用作高性能的片外ESD保護(hù)解決方案。這新型集成ESD保護(hù)技術(shù)平臺(tái)保持了傳統(tǒng)TVS二極管技術(shù)極佳的鉗位和低泄漏性能，同時(shí)還將電容降低至0.5pF。這在鉗位性能方面領(lǐng)先業(yè)界，可確保最敏感集成電路的保護(hù)。