如何選擇ESD保護元件？一篇文章告訴你

隨著信號傳輸速度的提高和供電電壓的降低，集成電路對瞬態(tài)ESD更加敏感。電路中連接的設(shè)備也日益增多，因此保護更廣泛系統(tǒng)中每個設(shè)備免受ESD的影響就變得更加重要。那么，為ESD保護選擇正確的元件時需要考慮哪些因素？

隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 不斷擴展，分析師預(yù)測未來幾年將有多達(dá)數(shù)十億的電子設(shè)備上線。通用電子設(shè)備總數(shù)甚至更高。這些設(shè)備中有許多將在我們生活中發(fā)揮重要作用，例如實現(xiàn)家庭自動化的消費設(shè)備。還有一些嵌入式裝置可能被深深隱藏起來，難以被察覺，例如嵌入到車輛內(nèi)部和智能樓宇內(nèi)部。所有這些設(shè)備都容易受到靜電放電 (ESD) 的影響。隨著物聯(lián)網(wǎng)的包容范圍逐漸擴大，這數(shù)十億設(shè)備中的任何一部分都可能變得至關(guān)重要。鑒于此，這些設(shè)備的ESD保護設(shè)計變得更加重要。

即使PCB組裝好并安裝到設(shè)備中，ESD仍然是引發(fā)故障的主要原因之一?，F(xiàn)代化集成設(shè)備設(shè)計得足夠堅固，以確保在操作過程中幾乎不會發(fā)生故障。這對操作條件提出了重大挑戰(zhàn)。雖然工程師能考慮到濕度、溫度和振動等極端環(huán)境條件，但大部分ESD仍然是不可預(yù)測的。所以，最好的方法是充分保護設(shè)備免受靜電放電的影響IEC 61000-4-2等標(biāo)準(zhǔn)按照測試所用放電電壓強度定義了保護級別，比如IEC 61000-4-2針對±2 kV的接觸放電和空氣放電電壓，而第4級則規(guī)定了±8 kV的接觸放電和±15 kV的空氣放電。為確?？芍貜?fù)的結(jié)果，這些標(biāo)準(zhǔn)中還精確規(guī)定了放電方法和測試瞬態(tài)的波形。測試過程中廣泛采用的人體模型在MIL-STD-883和JEDEC JS-001等標(biāo)準(zhǔn)給出了定義。

ESD對電子元件的影響

按照行業(yè)慣例，制造商通常采用黃色和黑色警示符來標(biāo)識靜電敏感設(shè)備。集成電路以具有絕緣柵的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管為基礎(chǔ)，是公認(rèn)的靜電敏感設(shè)備。此外，隨著供電電壓不斷降低（廣泛用于降低功耗的技術(shù)），元件的固有ESD保護性能會進(jìn)一步降低。

現(xiàn)在幾乎所有的通用集成電路都基于CMOS工藝，并且許多導(dǎo)軌的供電電壓僅為1V甚至更低。這使得集成電路更容易受到瞬態(tài)ESD的影響。一旦集成電路暴露于高電壓和大電流放電條件下，部分可能會立即被破壞或輕微受損，從而極大地縮短了其使用壽命。鑒于受影響的嚴(yán)重程度各不相同，評估集成電路的健康狀態(tài)就變得更加困難。

瞬態(tài)條件可能轉(zhuǎn)瞬即逝，不造成任何損壞，也可能對互聯(lián)造成不可修復(fù)地破壞?？紤]到基板、引線框架和封裝的性質(zhì)，很難在集成電路中集成充分的ESD保護功能。因此，必須在外部添加此類保護元件，并放置在能及時攔截放電的位置。通常，這意味著保護須盡可能靠近薄弱點。

隨著設(shè)計實踐的改變，了解這些新特性會如何影響所選保護元件的類型至關(guān)重要。通常情況下，選擇是多樣性的，但某些設(shè)計特性（如高速串行總線）會限制某些ESD元件的有效性或適用性。必須根據(jù)待保護信號的特性評估插入損耗和擊穿電壓等參數(shù)，以保證保護始終發(fā)揮作用。

關(guān)于ESD保護元件

ESD保護元件基本上基于半導(dǎo)體或陶瓷材料。其中半導(dǎo)體為瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 的形式，基本上是二極管（圖1），而陶瓷材料則為壓敏電阻的形式。現(xiàn)代壓敏電阻通常為帶有一定電容的多層元件（MLV；圖2），可能很有用，但也可能影響高速總線的切換動作。若插入電容不存在這樣的限制，多層陶瓷電容器 (MLCC) 也適用于ESD保護。

圖1：瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 基本上是用于ESD保護的二極管。

圖2：多層陶瓷壓敏電阻 (MLV) 也適用于ESD保護。

由電容引起的插入損耗是決定采用基于半導(dǎo)體的TVS還是基于陶瓷的MLV元件的關(guān)鍵因素。雖然很多情況下這兩種解決方案基本可以互換使用，但具體到應(yīng)用應(yīng)考慮各個元件的不同插入損耗，比如對于速度為1 Mb/s信號，保護裝置在0.5 MHz頻率下應(yīng)具有較低的插入損耗。詳細(xì)說明請參見數(shù)據(jù)表。

此外，壓敏電阻的電容也可作為電路層面抗電磁干擾 (EMI) 措施的一部分。截止到目前，這個特性很少被使用。不過隨著制造商生產(chǎn)技術(shù)的改良，能夠更好地控制壓敏電阻的電容公差。因此，電容可作為EMI濾波器的一部分。MLV的電容可從1到100 pF不等，并且超高電容壓敏電阻 (SHCV) 的電容甚至更高，遠(yuǎn)超TVS二極管。

不同ESD保護選項比較

由于這兩種元件吸收瞬態(tài)過電壓的方式不同，工程師可在許多應(yīng)用中將TVS和MLV解決方案用作互為替代的方案。它們的尺寸通常相似，占板空間也幾乎相同，而且由于體積小，可靠近潛在的ESD排放點安裝，比如外部接口或充電口。

圖3：ESD技術(shù)選型指南

如圖3中的圖表所示，MLV涵蓋的應(yīng)用領(lǐng)域比TVS二極管更廣，并且有商業(yè)級和汽車級兩種規(guī)格。以下考慮因素可以幫助設(shè)計工程師進(jìn)行更詳細(xì)的比較。

工作電壓：若尺寸相差不大，MLV和TVS的響應(yīng)時間可能近似（均為幾納秒），并且對過電壓的保護效果類似（見圖4）。不過，TVS二極管的擊穿電壓較低，能更快地限制瞬態(tài)電壓，因此更適合電壓較低的應(yīng)用。

魯棒性：隨著工作溫度的增加，TVS元件的性能會下降。但基于陶瓷材料MLV更為堅固，并且在高達(dá)+150℃的溫度下工作性能也不會下降。相比之下，基于半導(dǎo)體的TVS二極管的性能在溫度超過+25℃時就開始下降。

成熟度和成本：這兩種技術(shù)都很成熟，但此前MLV的全球產(chǎn)量較低，因此更昂貴。不過，其新開發(fā)出了尺寸更小的元件，因此在可穿戴設(shè)備等小型應(yīng)用中更具吸引力。另外，隨著產(chǎn)量的不斷增加，其平均售價已降低到具有可比性和競爭力的水平。

電容和電磁干擾 (EMI) 濾波：由于MLV的寄生電容可在制造過程中控制，不僅可提供ESD保護，還能抑制EMI，可用于取代兩個獨立的元件（TVS二極管和MLCC電容器），從而節(jié)省了占板空間。在不增加加工成本的前提下，無法像控制MLV的電容那樣控制TVS二極管的電容。（見圖5）

圖4：TVS和MLV在過電壓事件時的反應(yīng)

圖5：ESD陷波濾波器的功能

插入損耗：這很大程度上取決于元件的電容和被保護線路上的信號頻率。結(jié)果是頻率（比如>1 GHz）越高，相關(guān)性更緊密，并需要具有最低電容的解決方案。在較低電壓下，可能TVS二極管更適用，但在較高電壓下，MLV會更具優(yōu)勢。

漏電流：這一因素并非選擇MLV或TVS二極管的主要設(shè)計考慮因素。這兩種技術(shù)都存在一定的漏電流，并且相差不大。

物理尺寸：隨著MLV技術(shù)的發(fā)展，制造工藝變得更加復(fù)雜。MLV現(xiàn)在可提供與多層陶瓷電容器 (MLCC) 類似的尺寸，并且有望進(jìn)一步減小。但需謹(jǐn)記，元件可提供的保護水平仍然與其物理尺寸成正比。目前，01005是TVS和MLV技術(shù)可實現(xiàn)的最小封裝尺寸。

可互換性：在低頻和低電壓信號線的應(yīng)用中，這兩種技術(shù)能以相同的占板空間提供類似的ESD保護等級。而隨著應(yīng)用頻率的增加，TVS會變得更適用。但隨著電壓的升高，MLV則是更好的選擇。設(shè)計團隊必須仔細(xì)研究應(yīng)用和可用元件，以確定最合適的技術(shù)。

結(jié)論

靜電敏感設(shè)備必須采取瞬態(tài)ESD保護措施。隨著供電電壓的降低和數(shù)據(jù)速率的增加，需要根據(jù)操作條件確定保護措施的設(shè)計方式。在元件選型時，插入損耗和寄生電容變得愈發(fā)重要，并且被接受程度越來越高。

制造工藝的改進(jìn)實現(xiàn)了對MLV電容公差的精確控制，從而使得工程師可將其同時用于ESD保護和EMI濾波應(yīng)用，從而節(jié)省了占板空間和成本。

東電化電子公司提供了TVS二極管和MLV兩種產(chǎn)品，方便設(shè)計者從同一供應(yīng)商為PCB板上的所有關(guān)鍵點選擇最適合應(yīng)用的解決方案?；ヂ?lián)的設(shè)備越多，越需要保護每個設(shè)備不受ESD影響。