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提高可靠性的ESD保护考虑

发布时间:2020-06-30 18:33:44 阅读: 来源:缓蚀剂中间体厂家

增加产品特性、减小产品尺寸一直是手持产品的设计人员所面临的挑战。当手机、数码相机、MP3播放器和PDA等产品提供更多的功能时,它们的I/O端口也随之增多,导致静电放电(ESD)进入系统并干扰或损坏集成电路。此外,由于特性的增加和多功能的集成,IC设计对ESD更加敏感。设计人员须应对此挑战,使IC尽可能提供最有效的ESD保护,同时还要为额外的保护元件减小占板空间和成本。

设计人员为电路选择合适的保护元件时必须做出一些考虑。ESD保护二极管的主要功能在于增加手持产品的可靠性。保护元件可提供的可靠性由长时间内元件保护特定应用,并参考其不干扰器件功能的程度来确定。公认的波形定义系统级典型ESD事件是IEC61000-4-2波形,其特点是快速上升时间小于1ns(见图1)。此波形的规格需要四个不同的ESD幅度水平。大多数设计人员需要对产品进行最严格的检测,保证其接触放电为8kV。

当设计人员为电路选择保护元件,提高其可靠性时,可能需回答以下问题:

1. 电容要求和所保护的线路ESD情况如何?

2. 保护器件钳制ESD脉冲的电压是多少?

3. 器件的长期性能如何?

电容要求和所保护的线路ESD情况如何?

确定合适的ESD保护器件时,必须考虑的第一个问题是保护线路的速度是多少?对于高速线路(如USB2.0)需要小电容二极管确保无损信号的完整性。本文将专注于公共应用(如速度较低的键盘、侧键和电源线),因此不需要小电容。

许多低速应用受到最严重的ESD情况影响。按钮等应用受到的ESD冲击最多,因为在正常使用中他们被触摸的频率高于其它应用。因此,与便携式器件上的其它应用相比,这些应用受到最严格ESD脉冲的频率较高。此外,当便携式设计变得越来越小,按钮越接近IC,ESD越容易与电路耦合。对于这种恶劣的环境,采用提供足够钳制特性的ESD保护器件,确保IC不受损是最重要的。但是因为空间受限,许多设计没有容纳ESD保护器件的足够空间。因为它们的尺寸小和有限的ESD钳制功能,两种在低速线路上最常用的ESD保护解决方案是压敏电阻器和硅ESD保护器件。本文将比较这两种器件的差别。

保护器件钳制ESD脉冲的电压是多少?

确定特定应用的最佳保护器件时,设计人员必须考虑ESD保护器件钳制输入ESD事件的方法。ESD保护器件的目的是降低8kV IEC61000-4-2接触输入到所保护IC的安全电压。较小的钳制电压在IC上通过的能量越小,对受保护的IC损坏的机率也越小。受到ESD脉冲输入的器件上的电压波形显示器件的钳位特性。钳位电压定义为保护器件启动后,ESD波形电平关闭的电压。注意到对于一些器件没有明显的电平关闭电压。但是,电压波形以下的面积与IC在ESD事件中受到的能量成正比,因此在比较两种保护器件时这是最重要的因素。

为了比较硅ESD保护器件和压敏电阻器的钳位特性,必须选择两种用于相同应用的元件。它们的封装尺寸、工作电压必须相似,而且电容范围须适合应用。目前,最常见的封装尺寸和最小的单线ESD保护是0402尺寸的器件,面积大约为1mmx0.6mm。便携式应用中的大多数低速线路是0到5V范围内的直流线路,因此它们要求的工作电压在5到6V之间。对于低速线路,电容超过50pF是可以接受的。符合上述要求的两个元件是安森美半导体的ESD9X5.0ST5G ESD保护元件和Amotech的AVLC5S02100压敏电阻器的压敏电阻器。两者的尺寸都是0402,电容超过50pf,而且工作电压在5~6V之间。

比较这些器件性能的最好方法是在IEC61000-4-2 8kV接触脉冲作为器件输入时,观察元件的钳位特性。图2在同一张图中显示了每个元件对于正负ESD脉冲的响应。

图1:IEC61000-4-2波形,其特点是快速上升时间小于1ns

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