如何使高速数据接口和电信设备免受ESD与过载危害

不管是设计手机还是工业电信系统，电子制造商要实现可靠的系统操作，降低产品的返修或退货比例，保护那些提供系统功能性的复杂IC非常重要。此外，在全球化时代，电子系统制造商的产品很可能面对多个国家或地区乃至全球市场，可能需要符合不同的国际性系统级保护规范标准，这对系统制造商所具备的专业经验也带来了挑战。

针对电子系统制造商所面临的这些挑战，作为全球首选的高性能电路保护解决方案供应商，安森美半导体设立了专门的“保护和控制”业务部门，提供极宽范围的电路保护器件，覆盖从便携消费产品(手机)、计算机外设(硬盘驱动器)、电信和网络设备、汽车电子和工业等应用领域，既能提供针对低能量的ESD保护，也能提供针对高能量瞬态浪涌事件的晶闸管浪涌保护器件(TSPD)保护。此外，安森美半导体还积极帮助客户解决他们所面临的过压保护难题，在中国上海设立美国之外第一家、也是全球第二家的电路保护应用测试实验室，凭借经验丰富的技术专家和全套一流设备，帮助客户在将产品送交相关机构进行认证之前就对这些产品在遵从各种国际电路保护规范标准方面进行测试，并建议电路保护解决方案。

业界领先的低电容、高钳位ESD保护器件

随着消费者对手机、MP3播放器、便携式媒体播放器等便携电子产品的功能性提出更高的要求，这些产品的I/O端口越来越多。以手机为例，键区、扬声器、SIM卡、电池接头、音量键、语音键和充电器接口等都可能成为潜在的ESD进入点。

为了应对ESD给芯片所可能带来的潜在损伤，业界常用的做法是在敏感的CMOS芯片附近施加外围的ESD保护元件。外围的ESD保护元件将较高的ESD电压在短时间内钳位至较低的电压，从而确保氧化物击穿电压不会被超过。具体的做法就是在电子系统的连接器或端口处放置ESD保护元件，使得电流流经保护元件，且不流经敏感元件，以维持敏感元件的低电压，使其免受ESD应力影响，进而有效控制ESD事件的发生。

在ESD保护元件的选择方面，目前常用的ESD保护元件有压敏电阻、聚合物和瞬态电压抑制器(TVS)二极管。聚合物和陶瓷压敏电阻等外保护技术提供低电容，但它们的高ESD钳位电压限制了其保护极敏感IC免受ESD损伤的能力。相比较而言，TVS元件，特别是安森美半导体的TVS元件具有极低的钳位电压，且在多重应力条件下仍能维持优异性能，是一种更为理想的ESD保护元件。

安森美半导体近期更推出新的ESD保护平台ESD9L，使用了突破性的工艺技术(其结构图如图1所示)，将超低电容PIN二极管和大功率TVS二极管集成在单个裸片上，能够用作高性能片外ESD保护解决方案。值得注意的是，ESD9L集成了3个元件，为正向和反向ESD冲击提供电路保护，且客户仍只须将其用作单个元件。

图1：安森美半导体采用SOD-923封装的硅TVS二极管的演进。

这新的集成型ESD保护技术平台既保留了传统硅TVS二极管技术的卓越钳位和低泄漏性能，又将电容从50 pF大幅降低至0.5 pF。0.5 pF的总电容使ESD9L适用于USB2.0高速(480 Mbps)和高清多媒体接口(HDMI)(1.65 Gbps)等高速应用。根据IEC61000-4-2的标准，ESD9L将输入的15 kV ESD波形在数纳秒(ns)内迅速钳位至不到7 V。这钳位电压性能领先业界，为最敏感的IC确保提供保护。此外，ESD9L还维持了极小的裸片尺寸，使其能够适合尺寸仅为1.0 mm × 0.6 mm × 0.4 mm的SOD-923封装。这种超小单线ESD保护封装为设计人员提供极大的尺寸灵活性。超小型封装加上领先的超低电容和极低钳位电压，使ESD9L成为手机、MP3播放器、PDA和数码相机等空间受限型产品的高速应用首选解决方案。

与水平最接近的竞争对手的硅ESD保护器件相比，安森美半导体的ESD9L能在更短的时间内将ESD电压钳位至更低的水平(如图2所示)，体现出较大的性能优势，在高速数据应用不仅能够很好地提供ESD保护，同时还能保持高速数据信号的数据完整性。


图2：安森美半导体ESD9L的ESD保护性能明显优越于竞争器件。

总的来看，按照TVS电容与传输速率的不同，安森美半导体将便携应用的ESD保护元件市场划分为三个区域。第一是标准ESD保护，满足大功率(高于100瓦)、最低钳位电压要求，适用于键区、按钮、电池接头、充电器接口、旁键等的保护，TVS电容在1,000 pF至100 pF之间；第二是高速ESD保护，要求数据传输率更快、低电容，应用于USB1.1、USB2.0FS、FM天线、SIM卡和音频线路等，TVS电容在40 pF至5 pF；第三个是超高速ESD保护，如USB2.0HS (低于1 pF)、HDMI、RF天线等，TVS电容在5 pF以下，电容值与钳位相反。 针对这些应用领域，安森美半导体都能提供客户所需的硅ESD保护器件，满足客户对不同性能等级的需求。