付出正確的電路保護費

　　摘要：本文通過采用合適的過電流和過電壓保護元件，生產商可保證其產品成為用戶生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護元件也保證了各應用產品符合安全和功能因素相關的規(guī)章條例的要求。

　　許多用戶都沒有意識到他們自己每天在使用的電子設備存在著最大的風險。電路保護是所有電子設備必有的特性——不論是車載、家用或是工用電子設備——因為只要人體接觸含敏感電子半導體的器件，就會出現(xiàn)ESD(靜電放電)現(xiàn)象。

　　如果周圍的空氣特別干燥，比如天氣正好非常炎熱或非常寒冷，剛把手從汽車方向盤后移開時，若觸碰到金屬車門，就會有電擊感。這種電擊感，對司機來說不過是無傷大雅的不適感，但對敏感電子設備來說，其影響要大得多。想象一下，當拿起手機或平板電腦，卻發(fā)現(xiàn)有些按鍵或數(shù)據端口失靈了?，F(xiàn)實生活中凡此種種令人頭痛的事情，可能就是由于電子器件而非車體金屬遭受類似的電擊而導致的直接后果。

　　雖然靜電放電(ESD)不會導致手機“爆炸”之類的災難性事故，但是沒有靜電放電(ESD)保護，手機很可能難以對鍵盤或按鈕輸入做出有效反應。同樣，靜電放電(ESD)損傷會導致USB或以太網之類的接口端口在與其他設備連接時難以發(fā)揮正常的功效。

　　1 靜電放電(ESD)背后的物理學

　　ESD(靜電放電)事件均可追溯為稱作摩擦帶電的現(xiàn)象，兩種材料彼此接觸而后迅速分開即可產生摩擦帶電現(xiàn)象。由于兩種材料的電子發(fā)生轉移，一個積聚正電荷，另一個積聚負電荷。電荷的產生了取決于數(shù)種因素，包括接觸面積、分離速度、相對溫度和材料化學性質。盡管這種過程每天發(fā)生數(shù)千次，但卻無人注意，除非放電量足夠大，致使人體感到輕微短暫的不適，例如橫過地毯或抓握門把手。生成的電荷電壓從數(shù)百伏到數(shù)萬伏不等。表1所示即為產生靜電荷電壓的實例。

　　鑒于半導體芯片的尺寸變得越來越微型化，靜電放電(ESD)影響已成為當今尖端但成本敏感的電子消費產品難以解決的問題。如今，能夠提供ESD保護的構件太大，并且在成本上與構成集成電路組件的硅集成電路(IC)關系較大。其結果是，集成電路(IC)供應商移除或大大縮減內置ESD保護電路部分。問題是，集成電路一旦組裝到電子消費產品中，離開了生產時的受控環(huán)境，它們很可能會受到未受控制的ESD事件的影響。

　　此外，盡管集成電路(IC)生產商在歷史上曾使用特別是與生產環(huán)境有關的ESD測試模型(MIL-STD-883、方法3015：人體模型)，但設備生產商——對業(yè)內ESD事件有所考慮——卻使用IEC(國際電工委員會)規(guī)定的更為嚴苛的模型，即IEC 61000-4-2標準。本文中，多數(shù)集成電路(IC)供應商在500V下利用人體模型(HBM)對其產品進行測試，而終端用戶設備生產商根據IEC 61000-4-2標準在8000V(或以上)下進行測試。

　　表1比較了多數(shù)芯片組供應商使用的HBM(人體模型)ESD電流，他們以此預防IEC 61000-4-2列舉的環(huán)境ESD事件，這些事件多數(shù)用戶會在不覺間引入電子消費器件。

　　很明顯，最壞情況下的HBM ESD峰值電流遠遠低于IEC 61000-4-2規(guī)定的最壞情況下ESD峰值電流(見表2加粗的數(shù)字)。

　　與HBM所述的8kV事件相比，IEC 61000-4-2規(guī)定的8kV事件暗指電流為其5.6倍。芯片組能夠通過HBM測試的——用于生產環(huán)境——不能保證適應實際應用，因為ESD的影響更加嚴重。最后，如前文所述，大多數(shù)集成電路(IC)供應商利用人體模型僅測試到500V。如果在實際應用中暴露在8kV ESD瞬變電壓中，芯片組面臨的電流會增加近100倍，除非集成電路(IC)設計包含ESD保護，否則這種程度的電流足以決定芯片組的命運。

　　近年來，應用測試要求越來越嚴苛，以致于8kV ESD事件如今已成為最低水平。測試等級正在向20kV、甚至30kV發(fā)展，但同時，集成電路(IC)供應商卻在芯片組設計中取消了電路保護，從而釋放硅元面積，以提供更多功能。以下數(shù)字表明了芯片組內置ESD水平和在實際應用中可能遭受的ESD影響水平之間的差距，強烈反映出不斷增長的需求對于追加ESD保護的需要。