中心議題:

• 對高性能的便攜應用ESD保護方案的討論

解決方案:

• 采用便攜設備最有效的ESD保護方法
• 通過對外部保護元件比較及其性能測試
• 采用安半保護元件的USB 2.0高速應用保

隨著手機等便攜設備中具備更多的功能，可供靜電放電(ESD)電壓進入的潛在輸入輸出(I/O)通道更趨眾多，包括鍵盤、按鍵、SIM卡、電池充電、USB接口、FM天線、LCD顯示屏、耳機插孔、FM天線等眾多位置都需要ESD保護。根據電容及數據率的不同
，便攜設備的ESD保護應用領域可分為大功率
、高速和極高速等三個類型
，其電容分別為大於30 pF
、介於1至30 pF之間和小於1 pF

，參見表1。由此表中可見

，速度越高的應用要求的電容也越低，這是因為高速應用中更需要維持信號完整性及降低插入損耗。  
便攜設備最有效的ESD保護方法

從保護方法來看
，一種可能的選擇是芯片內建ESD保護，但日趨縮小的CMOS芯片已經越來越不足以承受內部2 kV等級ESD保護所需要的麵積
，故真正有效的ESD保護不能完全集成到CMOS芯(xin)片(pian)之(zhi)中(zhong)。另(ling)外(wai)，雖(sui)然(ran)通(tong)過(guo)在(zai)物(wu)理(li)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)及(ji)軟(ruan)件(jian)設(she)計(ji)方(fang)麵(mian)下(xia)功(gong)夫(fu)
，可(ke)以(yi)發(fa)揮(hui)一(yi)些(xie)作(zuo)用(yong)，但(dan)總(zong)有(you)部(bu)分(fen)重(zhong)要(yao)電(dian)路(lu)較(jiao)為(wei)敏(min)感(gan)，很(hen)難(nan)與(yu)外(wai)部(bu)隔(ge)離(li)
，故(gu)最(zui)有(you)效(xiao)的(de)ESD保護方法還是在便攜設備的連接器或端口處放置保護元件，將極高的ESD電壓鉗位至較低的電壓，以確保電壓不會超過集成電路(IC)內氧化物的擊穿電壓，保護敏感IC。

在正常工作條件下，外部ESD保護元件應該保持在不動作狀態，同時不會對電子係統的功能造成任何影響，這可以通過維持低電流以及低電容值來達成。而在ESD應力衝擊或者說大電流衝擊條件下，ESD保護元件的第一個要求就是必須能夠正常工作
，要有夠低的電阻以便能夠限製受保護點的電壓；其次
，必須能夠快速動作，這樣才能使上升時間低於納秒的ESD衝擊上升時間。

外部保護元件比較及其性能測試

常見的外部保護元件有壓敏電阻、聚合物和矽瞬態電壓抑製器(TVS)等，它們所采用的材料分別是金屬氧化物、帶dai導dao電dian粒li子zi的de聚ju合he物wu和he矽gui。壓ya敏min電dian阻zu在zai低di電dian壓ya時shi，呈cheng現xian出chu高gao電dian阻zu，而er在zai較jiao高gao電dian壓ya時shi電dian阻zu會hui下xia降jiang。帶dai導dao電dian粒li子zi的de聚ju合he物wu在zai正zheng常chang電dian壓ya下xia相xiang當dang高gao的de電dian阻zu，但dan當dang遭zao受shouESD應力時
，導電粒子間的小間隙會成為突波音隙陣列，從而帶來低電阻路徑。TVS則為采用標準與齊納二極管特性設計的矽芯片元件。TVS元件主要針對能夠以低動態電阻承載大電流的要求進行優化，由於TVS元件通常采用IC方式生產，因此我們可以看到各種各樣的單向

、雙向及以陣列方式排列的單芯片產品。
[page]
在這幾種外部保護元件中，TVS元(yuan)件(jian)的(de)大(da)電(dian)流(liu)導(dao)電(dian)率(lv)極(ji)佳(jia)
，且(qie)在(zai)重(zhong)複(fu)應(ying)力(li)條(tiao)件(jian)下(xia)仍(reng)能(neng)維(wei)持(chi)優(you)異(yi)性(xing)能(neng)

，不(bu)存(cun)在(zai)壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)或(huo)聚(ju)合(he)物(wu)等(deng)其(qi)它(ta)保(bao)護(hu)元(yuan)件(jian)使(shi)用(yong)增(zeng)多(duo)後(hou)會(hui)出(chu)現(xian)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)的(de)問(wen)題(ti)，而(er)且(qie)新(xin)的(de)ESD元件具有極低的電容，非常適合高速數據線路的ESD保護。而越是高速的應用，越是要求ESD保護元件具有更低的電容及更低的鉗位電壓。

電子係統必須能夠在IEC 61000-4-2標準測試條件下存續。為了對上述幾種外部ESD保護元件進行更加直接的比較，對壓敏電阻、聚合物
、安森美半導體半導體矽保護元件及性能最接近的矽競爭器件，首先施以IEC 61000-4-2 ±8 kV ESD接觸放電脈衝，並通過示波器截取其ESD鉗位電壓波形進行比較，可以發現安森美半導體的矽ESD保護元件擁有低得多的鉗位電壓，不僅優於壓敏電阻和聚合物等無源元件，更優於性能最接近的矽競爭器件，參見圖1 。

此外
，便攜設備可能遭受多次的ESD電壓應力，這在中國北方地區表現得猶為顯眼。因為，外部保護元件在多種ESD應力條件的性能猶為重要
，直接決定著便攜產品的可靠性。因此
，同樣可以對壓敏電阻
、聚合物和矽ESD二極管等保護元件在Tesec直流測試條件下測試，每個元件都施以總計2,000次的15 kV接觸放電ESD脈衝(正向及負向各1,000次)，每兩次脈衝的時間間隔為0.1秒。表2所示的測試結果顯示，安森美半導體的矽集成ESD保護元件在多重應力條件下仍然維持極佳的性能

，而競爭器件要麼損壞
，要麼性能退化較嚴重。 安森美半導體高性能ESD外部保護元件概覽

如表1所示
，安森美半導體為便攜設備的大功率、高速和極高速等應用領域均提供一係列的高性能矽ESD保護元件
，滿足不同應用需求。其中，安森美半導體的ESD11L、ESD11N、NUP4016(用於極高速應用)，ESD11B、NUP4xxxP5(用於高速應用)更是當今業界領先的產品。

例如，NUP4016具備每條I/O線路0.5 pF的超低電容
，非常適用於保護通用串行總線(USB) 2.0高速(480 Mbps)和高清多媒體接口(HDMI) (1.65 Gbps)等高速接口。ESD11L5.0D將安森美半導體的超低電容技術集成至3引腳封裝中，以0.5 pF電容保護兩條高速數據線路，為設計人員提供保護USB 2.0端口的D+和D-線路的單個器件解決方案；ESD11L5.0D也能夠連接陰極至陰極，以0.25 pF電容保護單條雙向線路，非常適用於保護高頻射頻(RF)天線線路。

NUP4016和ESD11L5.0D都能在數納秒時間內將15千伏(kV)輸入ESD波形鉗位至不足8伏(V)，為當今對ESD敏感的集成電路(IC)提供最高保護水平。這些矽器件沒有無源技術的磨損問題，在經過多次浪湧事件如ESD等後，可靠性和性能都不受影響。

值(zhi)得(de)一(yi)提(ti)的(de)
，安(an)森(sen)美(mei)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)這(zhe)些(xie)高(gao)性(xing)能(neng)矽(gui)保(bao)護(hu)不(bu)僅(jin)提(ti)供(gong)極(ji)低(di)電(dian)容(rong)和(he)極(ji)低(di)鉗(qian)位(wei)電(dian)壓(ya)，更(geng)采(cai)用(yong)極(ji)小(xiao)的(de)封(feng)裝(zhuang)

，是(shi)需(xu)要(yao)在(zai)超(chao)薄(bo)封(feng)裝(zhuang)中(zhong)提(ti)供(gong)優(you)異(yi)保(bao)護(hu)性(xing)能(neng)的(de)便(bian)攜(xie)產(chan)品(pin)的(de)極(ji)佳(jia)保(bao)護(hu)器(qi)件(jian)。如(ru)NUP4016采用極小的1.0 mm x 1.0 mm x 0.4 mm SOT-953封裝保護4條高速數據線路，是如今市場上最薄的高速通信接口用ESD保護器件。

ESD11L5.0D采用超小型1.0 mm x 0.6 mm x 0.37 mm SOT-1123封裝，與采用SOT-723封裝的市場上同類解決方案相比，占位麵積小50%，厚度低20%
，是如今市場上最薄的高速通信、USB 2.0數據和電源線路和保護用ESD器件。

安森美半導體還規劃提供尺寸小至0.6 mm x 0.3 mm x 0.3 mm的0201 CSP封裝的ESD器件，保護單條線路
，每條線路所占平麵麵積僅為0.18 mm2。

采用安森美半導體半導體保護元件的USB 2.0高速應用保護示例

USB 2.0接口在便攜設備中的應用範圍非常普及，在用戶的日常使用中也有著極高的使用頻率
，故需要為高速的USB接口提供可靠的ESD保護。圖2顯示的是速度達480 Mbps的USB 2.0高速應用在帶識別(ID)線路及不帶ID線路兩種情況下的簡明結構示意圖。[page]

以帶ID線路的圖2 a)為例

，應用中需要以電容小於1 pF


、小封裝的器件保護3條極高速數據線路(D+
、D-和ID)及1條大功率線路(Vbus)。針對這樣的保護需求，既可以采用分立保護方案
，如使用3顆ESD9L加1顆ESD9X，也可以采用集成保護方案，如1顆NUP3115UP或NUP4114UP(有1條線路未連接)。

而在圖2 b)的應用中，需要以電容小於1 pF、小封裝的器件保護2條極高速數據線路及1條大功率線路(Vbus)。針對這樣的保護需求，同樣既可以采用分立保護方案，如使用2顆ESD9L加1顆ESD9X、1顆ESD7L加1顆ESD9X或1顆ESD11L加1顆ESD9X，也可以使用集成保護方案，如1顆NUP2114UP或1顆NUP4114UP(保護2個USB端口)。

總結：

手機、數碼相機等便攜產品中的眾多位置可能遭受ESD脈衝的影響並損壞其中特征尺寸越來越小、越來越敏感的集成電路，進而影響係統的可靠性。最有效的ESD保護方法是在便攜設備的連接器或端口處放置外部保護元件。測試表明，矽TVS二er極ji管guan比bi聚ju合he物wu和he壓ya敏min電dian阻zu等deng無wu源yuan元yuan件jian的de鉗qian位wei性xing能neng更geng優you異yi，而er安an森sen美mei半ban導dao體ti的de矽gui保bao護hu元yuan件jian更geng是shi優you於yu性xing能neng最zui接jie近jin的de競jing爭zheng器qi件jian。安an森sen美mei半ban導dao體ti身shen為wei全quan球qiu領ling先xian的de高gao性xing能neng、高能效矽解決方案供應商，為便攜設備的大功率
、gaosuhejigaosuyingyonglingyutigongfengfudegaoxingnengguibaohuyuanjianxilie
，qizhongbushaodoushidangjinyejiedelingxianchanpin。zhexielingxianchanpinyijixiaodefengzhuangtigongjididedianronghejidiqianweidianya
，feichangshihebaohuUSB 2.0高速及HDMI等極高速應用。同時
，客戶得益於安森美半導體豐富的矽保護元件係列，能夠為其USB 2.0高速等應用靈活地選擇及搭配安森美半導體的矽保護元件，滿足他們的不同應用需求。