高速数据线ESD保护需求上升，新器件亮相

有三股力量正在推动电路保护技术的蓬勃发展：首先，无论是手机还是工业电信设备，为了实现可靠的系统操作，研发工程师都要特别注意保护那些提供系统功能的复杂IC；其次，工艺的精细化令IC对冲击和静电放电(ESD)的敏感度不断提高；最后，众多市场都正在对销往该地的电子产品设立强制性的安规认证，而过压保护也被列为其中重要的一项。正如安森美半导体保护产品业务总监Gary Straker不久前在上海所言：“无论是便携消费产品、计算机外设、电信和网络设备、汽车电子还是工业设备，其对电路保护的需求都在日益上升。”

Straker是在安森美半导体宣布成立上海电路保护应用测试实验室的新闻发布会上发表上述言论的。为了满足不断上升的电路保护需求以及协助在此方面缺乏经验的亚洲用户、特别是中国用户，这家电源半导体大厂不久前在上海开设了美国亚利桑那州菲尼克斯之外的全球第二家电路保护应用测试实验室。“新的实验室将主要为手机和DSL调制解调器等便携消费产品和电信设备提供过压保护解决方案。”Straker介绍。

ESD保护与技术难题

谈到ESD保护，首先要介绍的便是瞬态电压抑制器(TVS)、压敏电阻以及聚合物(Polymer)三种器件。事实上，它们正是ESD保护领域的三大技术。其中，TVS和压敏电阻采用的是电压箝位的方式，而内含导电粒子的聚合物则利用的是消弧保护的原理。与其他两种器件相比，聚合物的应用范围还比较小，仅用于电容较低的场合(小于1pF)。另外，聚合物的体积还会随着箝位电压的提高而增大。很显然，这同半导体器件日益缩小的趋势背道而驰。

聚合物的上述劣势令压敏电阻和TVS成为最常见的两种ESD保护方案。压敏电阻的电阻值会随着电压的不同而发生变化。当所承受的电压超过额定值时，其电阻会急剧下降到近似短路的状态，将静电电压引入变阻器并以热能的形式释放出来。这种技术的优点是成本相对较低，缺点却是每经过一次ESD冲击，器件的物理结构就会受到一定程度的损伤，从而发生器件老化的问题。相比之下，利用了二极管雪崩短路的TVS却不存在这一困扰：当瞬态电压超过箝位电压后，二极管发生雪崩，瞬态大电流将从与被保护器件并联的二极管中流过，避免了内部电路被大电压击穿或被大电流烧毁的可能。当然，TVS的优点还不止这些，小型化的封装、较低的箝位低压都足以令其他技术甘拜下风。这令其比其他器件拥有更广泛的应用领域，特别是高端便携设备的接口电路。

不过，随着更多低压器件以及高频电路技术的发展，传统的TVS已经越来越无法满足相关应用的需要。以手机为例，随着高速数据线对ESD保护的需求日益上升，这个已经成为ESD保护应用大户的领域开始对ESD保护器件供应商提出了新的要求。“与键盘、按钮、侧键、充电线、电池触点等传统大功率ESD应用不同，为了不造成高频失真，USB1.1、USB2.0FS、FM天线、SIM卡、摄像头等高速数据应用以及USB2.0HS和RF天线等超高速数据应用都要求保证尽可能低的系统电容值。”安森美半导体分立产品部ESD/TVS保护技术市场工程师Lon Robinson指出，“比如，前者要求的系统最大电容值在40pF以下，后者更是要求系统电容值低于5pF甚至低至0.5pF。无疑，留给ESD器件的可回旋余地就更小了。”

Robinson道出了所有ESD保护器件供应商都在面对的一项挑战——美国防静电协会(ESDA)2006年发布的一项研究报告已经指出，随着半导体器件特征尺寸的降低，IC内氧化层击穿电压正在不断下降。报告称，为了确保ESD电压不超过氧化层的击穿电压，外部ESD保护器件必须将其箝位至更低的电压。“然而就目前而言，市场上大部分ESD保护器件的箝位能力与电容值还是成反比的——随着电容值的降低，ESD器件启动保护机制的电压值不但没有降低，反而在不断上升。这导致许多器件在高频场合根本无法达到保护IC免受ESD电压破坏的目的。”Robinson说。

结构创新

很显然，如果继续纠缠于以往的技术，要解决ESD保护器件中电容值与静电箝位能力这对无法调和的矛盾是不太现实的——结构创新或许是个不错的主意——通过他们的努力，安森美的研发工程师已经证明了这一点。具体思路是：将超低电容二极管和大功率TVS置于同一裸片上，通过集成的方式来获得箝位能力与电容值的双重优势。按照这个想法，该公司在去年11月宣布推出一款型号为ESD9L的新型ESD保护器件。

据称，这款于主要面向手机应用的ESD保护器件不仅拥有0.5pF的超低电容，足以应付USB2.0HS(480 Mbps)和HDMI(1.65 Gbps)等高速应用。另外，尽管其拥有电容业界最小的电容值，但是ESD保护能力却不逊于任何大电容器件。安森美出示的资料显示，该器件能将15kV的ESD波形在数纳秒(ns)之内迅速箝位至7V以下。最后，在提高钳位性能的同时，ESD9L还尽力保持了极小的裸片尺寸，使其能够适合尺寸仅为1.0×0.6×0.4mm3的SOD-923封装。至此，它不仅完全克服了传统TVS低电容同箝位能力不可兼得的问题，还凭借超小型封装成为手机、MP3播放器、PDA和数码相机等空间受限型产品的高速应用理想解决方案。

简单来讲，ESD9L可以被看作是两个整流二极管和一个齐纳二极管组成的三管结构(见图2)：齐纳二极管与一个整流二极管组成一路，另外一个整流二极管组成一路，分别作为不同方向电流的通路。由于涉及到技术机密，Robinson拒绝透露如何利用这种结构实现低箝位电压与超低电容的原理，不过他表示，三管结构并没有增加系统工程师的应用难度。“ESD9L与单齐纳二极管的性能是完全一样的，工程师可放心使用。”他说。

Robinson还在现场进行了演示，对ESD9L与包括同类硅器件、压敏电阻以及聚合物在内的各类竞争器件进行了正、负脉冲作用下ESD保护能力的截屏比较，结果证明了该器件强大的ESD保护能力(结果比较见图3)。

作者：王彦