ESD靜電保護(hù)元件優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前市面上已經(jīng)存在多種ESD保護(hù)器件，但最常用的可分成三大類：聚合體、壓敏電阻/抑制器和二極管。選擇合適的ESD保護(hù)器件，最大的難點(diǎn)在于如何最容易地明確哪種器件可以提供最大的保護(hù)。系統(tǒng)供應(yīng)商一般是通過數(shù)據(jù)手冊上的ESD額定值(或標(biāo)稱值)來比較ESD保護(hù)器件的好壞。事實上，從這些額定值根本看不出器件保護(hù)系統(tǒng)的能力有多強(qiáng)，關(guān)鍵取決于其它二極管參數(shù)。

除了保護(hù)器件的ESD標(biāo)稱值外，電壓值(箝位電壓)和ASIC端有多大電流(剩余電流)也是關(guān)鍵因素。ESD保護(hù)器件功能是通過將大部分電流短路到地并將ASIC端的電壓“箝位”到低于脈沖電壓的值來實現(xiàn)的。

確定箝位電壓和剩余電流不是一項很容易的任務(wù)。在大多數(shù)ESD保護(hù)數(shù)據(jù)手冊中引用的箝位電壓(如果手冊中包括這條信息)很容易讓人產(chǎn)生誤解。而數(shù)據(jù)手冊中從來沒有剩余電流這一項，因為它與系統(tǒng)版圖有關(guān)，與器件本身無關(guān)。而作為替代參數(shù)的保護(hù)電路的動態(tài)電阻(Rdyn)則有助于比較器件，因為具有較低電阻的器件可以分流較大比例的電流。遺憾的是，這個動態(tài)電阻值在保護(hù)器件的數(shù)據(jù)手冊中通常也不見蹤影。

聚合體器件

雖然聚合體器件對高頻應(yīng)用來說相當(dāng)有吸引力，因為它們的亞皮法電容值只有0.05~1.0pF，但這么低的電容也會帶來一些略微的副作用。與二極管不同的是，聚合體器件要求端電壓達(dá)到觸發(fā)電壓時才擊穿，而這個觸發(fā)電壓要比箝位電壓高出許多。典型的聚合體ESD器件在500V之前是不會擊穿的。一旦擊穿后它就會迅速跳到最高達(dá)150V的箝位電壓，當(dāng)電荷釋放掉后，聚合體將返回高阻狀態(tài)。不過這一過程可能要花數(shù)小時甚至一天的時間，因此它們對消費(fèi)類應(yīng)用來說沒有吸引力。這些器件在制造中很難精確表征，其數(shù)據(jù)手冊通常只包含典型參數(shù)值，而不提供最小和最大保證值。另外，由于它們在物理上是屬于柔性器件，因此它們的性能會隨著遭受ESD脈沖數(shù)量的增加而下降。

壓敏電阻和抑制器

壓敏電阻和抑制器是非線性的可變電阻。雖然它們相對來說不貴，但抑制器通常具有高觸發(fā)電壓、高箝位電壓和高阻抗特性，從而使得大多數(shù)能量會到達(dá)受保護(hù)的器件，而不是分流到地。典型的低電容抑制器的箝位電壓范圍在150~500V。低電容抑制器的典型動態(tài)電阻是20~40Ω。由于其高阻抗特性，幾乎所有 ESD沖擊電流都會傳遞到“受保護(hù)”器件而不是分流到地。

半導(dǎo)體二極管

另外一種ESD保護(hù)方法是采用半導(dǎo)體二極管。ESD保護(hù)二極管被表征為低箝位電壓、低阻抗、快速導(dǎo)通時間和更好的可靠性。通常半導(dǎo)體二極管可以提供最好的ESD保護(hù)，而且現(xiàn)在的二極管已經(jīng)可以做到1pF的等效電容，因此已經(jīng)成為可靠的ESD保護(hù)和良好的信號完整性的最佳選擇。

ESD靜電保護(hù)元件分析

任何保護(hù)元件在正常工作期間必須作為高阻抗電路出現(xiàn)在受保護(hù)的輸入端。它所施加的電容負(fù)載必須盡可能的小，使得對正常的輸入信號幾乎沒有影響。然而, 在過壓的瞬間，同一器件必須成為能量的主要通路，把能量從被保護(hù)器件的輸入端轉(zhuǎn)移出去。此外，保護(hù)器件的安全(standing-off)電壓必須高于受保護(hù)端所允許的最大信號電壓。同樣，其箝位電壓必須低到足以防止所保護(hù)的器件遭受損壞，這是由于在瞬態(tài)發(fā)生期間，輸入端上的電壓將是保護(hù)器件的箝位電壓。

我們常常會看到介紹ESD靜電保護(hù)器、ESD靜電阻抗器、ESD靜電釋放器、貼片壓敏電阻等產(chǎn)品，但其實保護(hù)器件最關(guān)鍵的參考系數(shù)應(yīng)該是下面三項：

1. 快速響應(yīng)時間

2. 低箝位電壓

3. 高電流浪涌承受能力

無論產(chǎn)品被介紹得多么優(yōu)異，在選擇ESD靜電保護(hù)元件時，仍應(yīng)該細(xì)致地做好實際的對比，以及運(yùn)用IEC61000-4-2測試來做驗證。目前行業(yè)慣例是根據(jù)8us上升時間和20us持續(xù)時間的脈沖公布箝位電壓的，而真正的ESD脈沖應(yīng)該是1ns上升時間和60ns的持續(xù)時間。