1，什么是ESD？

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    ESD是代表英文Electrostatic Discharge即“静电放电”的意思。ESD是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减、静电放电模型、静电放电效应如电流热（火花）效应（如静电引起的着火与爆炸）和电磁效应（如电磁干扰）等的学科。近年来随着科学技术的飞速发展、微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂，对静电放电的电磁场效应如电磁干扰（EMI）及电磁兼容性（EMC）问题越来越重视。

2，如何进行高速电路的ESD保护

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    静电放电(ESD)会给电子器件环境会带来破坏性的后果。事实上，在各种各样电路的电路封装和经过装配、正在使用大电子器件中，超过25%的半导体芯片损坏归咎于ESD。

    通常情况下，来自人体某个部分(手指)的放电将给给不同的材料充电，随后传递到附着在电子器件的导电触点。这将造成IC损坏，并有理由指责终端用户器件制造商。

    这个问题非常严重，以至于欧盟(European Union)已经为任何在经济区销售的商品制定了特殊的ESD抑制标准。现在设计工程师必须为当今更敏感的半导体提供有效的ESD保护。

    不幸地是，这项任务经常遵循事后回想的设计原则：首先搭建没有额外过压瞬间抑制的电路，依靠板上的IC来进行保护。如果测试能显示在原型阶段的灵敏度，那么就加上保护器件。如果这种方法被采用来满足当今更低放大电压，增加频率和更低噪声的要求的话，整个设计必须{zy}的并是集成的。在末端增加保护可能非常昂贵，或由于时间限制而不切实际。

    通常，ESD事件是由根据充电过程类型和瞬态电泳严重程度的三种主要ESD算法描述的：人体模型(HBM)、充电器件模型(CDM)和机器模型(MM)。这些模型定义了瞬变效应的类型，因此设计工程师们就可以定义明确的半导体过压芯片瞬变等级灵敏度，以及芯片及装配产品测试规程。利用这些模型，电路设计工程师可以测试芯片和产品的ESD保护效率相一致，而且可以定量地与可选方案进行比较。

    电荷通过一系列电阻器直接传递，例如人的手指，是最普遍的ESD损坏原因。因此，优秀的ESD模型是HBM。在测试中待测器件中(DUT)，这是由一个100pF的电容通过一个1500Ω的电阻向器件放电来表示的。这个标准的商业版本是xx规范883方法3015(图1a)。

    {zlx}的HBM变种是国际电工委员会IEC1000-4-2标准，定义为150pF电容通过一个330Ω电阻放电(图1b)。这是欧盟对在其区域内商品销售所必须的国际测试。

    但是，明显的瞬间电压威胁和能量等级的不同存在于两个模型之中。于是设计工程师可以使测试过程适合他们所期望的具体应用。例如，IEC1000-4-2具有一个非常快速的电平脉冲上升时间，能应用更多的脉冲和更高的峰值电流(见表格)。

    最近，电路设计工程师已经正在通过一定数量的瞬间电压抑制器(TVS)器件增加保护。一些例子包括固状器件(二极管)、金属氧化物变阻器(MOV)、可控硅整流器、其他可变电压的材料(新聚合物器件)、气体电子管和简单的火花隙。

    这类器件被放置在输入端和地之间。当输入电压达到引起它们“开路”或导通的水平时，它们能迅速把阻抗降低。理想地，输入威胁被部分地反射回去，而平衡被部分地通过导通的TVS器件分流到地上。所以，在电路中只有更小比例的威胁能够达到敏感的IC。

    但是ESD抑制器件也有着其自身的优缺点，随着新一代高速电路的出现，一些缺点被放大了。例如，TVS必须迅速响应到来的浪涌电压。浪涌电压在0.7ns达到8KV(或更高)峰值时，TVS器件的触发或调整电压(与输入线平行)必须要足够低以便作为一个有效的电压分配器。

    一些器件可保护电路，但在仅几次电流脉冲和/或陷入进入低阻(短路)状态后就老化了，形成电路到地的大电电流通道。这点对由电池驱动的器件来说是致命的。

    每个器件有其自身的差异。气体放电管可通过大电流，但是响应速度很慢。它们也会老化且不能恢复。MOV能为高速电路提供相对缓慢的导通响应。硅二极管的触发响应速度非常快，导通电压低，但它们像MOVS和其他器件一样，电容比较高，从而影响高速信号。

    频率越高，电容效应就越大。全新的ESD变压器件是当前仅有能够提供极低电容和非常低关断漏电流的产品。此外，在多次脉冲之后它们能自我恢复。

    现在考虑成本因素。设计工程师尽可能地把非主要器件的成本降到{zd1}。由于供大于求，二极管的价格一直以来都很低。一些新的高频聚合物器件的价格也十分有竞争力。

    过去几个主要的设计因素简化了ESD抑制器问题。工作电压更高、速度更慢、更鲁棒的IC对浪涌电压不那么敏感。更低的工作频率也意味着保护速度不那么重要。同时，阻抗更高线路和引脚元件的电路、金属更多的封装以及更少的外部节点，也使事情变得更加简单。

    但是电子行业已发生变化。消费电信行业在发生爆炸式发展，出现了更多的手持设备。器件的工作频率已经从几kHz上升到GHz，从而使用于ESD保护的高容量无源器件带来设计失真问题。此外，芯片工作电压正在降低，有助于极大提高对任和高能量瞬态(固定结点的加热/融化)响应的灵敏度。同时，新型高频数码使用器件要求关断漏电流非常低，从而降低噪声。

    在低成本的生产环境中，对于所有的电路元件来说降低成本是主要目标。因此，有效的ESD抑制器应为设计工程师提供下列主要的好处和特点(未必按重要性排列)：

    具有成本效益；

    保护新型消费电子的音频和视频I/O线路以及RF连接端口，而无需牺牲性能；

    保护新型通信连接硬件；

    在很广的工作频率范围内具有稳定的器件特性；

    在工作频率为数GHz的超宽带电路中采用1pF以下的电容；

    在关状态条件下漏电流最小，以减小噪音；

    降低由ESD抑制器元件引起的工作电路信号失真和减衰；

    为提供有效保护，触发和箝位特性要与电路器件要求一致；

    具有所需的装配特性、外形因子和PCB封装，便于用在高速自动装配生产线上；

    在各种可选择的器件中，{zh0}是在无需改变电路板的情况下具有高互换性；

    在产品使用寿命期间可靠性高。

布局指南

    不管选择怎样的TVS器件，它们在电路板上的布局非常重要。TVS布局前的导线长度应该减到最小，因为快速(0.7ns)ESD脉冲可能产生导致TVS保护能力下降的额外电压。

（TVS 即瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor）。它的特点是：响应速度特别快（为ns级）；耐浪涌冲击能力较放电管和压敏电阻差，其10/1000μs波脉冲功率从400W～30KW，脉冲峰值电流从0.52A～544A；击穿电压有从6.8V～550V的系列值，便于各种不同电压的电路使用。）

    另外，快速ESD脉冲可能在电路板上相邻(平行)导线间产生感应电压。如果上述情况发生，由于将不会得到保护，因为感应电压路径将成为另一条让浪涌到达IC的路径。因此，被保护的输入线不应该被放置在其它单独、未受保护的走线旁边。推荐的ESD抑制器件PCB布局方案应该是：放置在被保护的IC之前，但尽量与连接器/触点PCB侧尽量近这；放置在与信号线串联任何电阻之前；放置在包含保险丝在内的过滤或调节器件之前；放置在IC之前的其他可能有ESD的地方。

    由于业界对在高频电路中采用ESD抑制越来越感兴趣，所以已对消费电子领域中的一些大型器件进行了研究。对比数据表明，尽管低成本的硅二极管(甚至变阻器)的触发/箝位电压非常低，但它们的高频容量和漏电流无法满足不断增长的应用需求。

    另一个重要要求是ESD抑制器对电路信号特性的影响最小。对聚合物ESD抑制器的测量表明，频率高达6GHz时的衰减小于0.2dB，这样它们对电路几乎没有影响。

    另外，商业化产品要求在所有不同的硬件接口位置都要有ESD浪涌保护。例如，一些新型电脑和更xx的消费电子可能会如下这些互连器件的大部分或者全部：以太网、USB1.1/USB2.0、IEEE-1394/1394b、音频/视频/RF以及传统的RS-232、RJ-11等端口等的audio/video/RF端口。所有传统的保护器件都已经不同程度地得以成功应用。但是，如今不断增长的工作频率为超低电容器件(如聚合物抑制器)提出了需求(图2a)。

    USB 2.0 协议具有00 Mbps的快速数据转换速率。因此，当采用具有SurgX技术(图 2b)的超低电容聚合物器件进行保护时，一个配备了USB 2.0功能的器件将具有{zj0}性能。这将比使用齐纳二极管或多层变阻器时产生更少的数据失真。

    另外，许多新型消费电子器件能执行快速的IEEE-1394/1394b(Fireware)数据转换协议。这种非常高的数据速率(1600 Mbps，1394b)要求低电容ESD抑制器，例如聚合物浪涌器件(图 2c)。测试数据表明，聚合物ESD抑制器带来的信号失真比硅二极管器件保护Firewire端口产生的更少(图 3)。

3，ESD保护方法的对比分析

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　　在人们的日常工作生活中，静电放电(ESD)现象可谓无处不在，瞬间产生的上升时间低于纳秒(ns)、持续时间可达数百纳秒且高达数十安培的电流，会对手机、笔记本电脑等电子系统造成损伤。

　　对于电子系统设计人员而言，如果没有采取适当的ESD保护措施，所设计的电子产品就会有遭到损伤的可能。因此，电子系统设计中的一项重要课题便是确保使其能够承受ESD的冲击，并继续正常工作。

ESD保护方法

　　为了给电子系统提供ESD保护，可以从不同的角度来着手。一种方法是在半导体芯片内建ESD保护架构。不过，日趋缩小的CMOS芯片已经越来越不足以承受进行内部2 kV等级的ESD保护所需要的面积。安森美半导体标准产品部亚太区市场营销副总裁麦满权指出：真正有效的ESD保护是不能xx集成到CMOS芯片之中的！

　　其次，也可以在物理电路设计方面下功夫，较敏感的电路元件应该尽量远离通孔或接缝处，如果可能的话，线缆连接器的接地应该要在系统信号引脚接触前先连接到系统的接地，通过这样的方式，线缆上所发生的放电事件就比较不会造成干扰或破坏。

　　此外，软件也能够为ESD设计作出贡献。系统连接的感测器比较容易受到ESD的冲击，造成接口电路的锁住情况，而能够感测锁住情况的软件则可以用来重置接口电路且无须操作人员的介入。

　　不过，总是有部分电路点较为敏感，同时也很难与外部隔离。因此，xxx的方法是使用保护元件来将电流导离较敏感的元件。也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，进入有效控制ESD事件的发生，如图1所示。当然，合格的ESD元件必须具有低泄漏和低电容，且在多重应力作用下功能不下降，从而不降低电路的功能。

常见ESD保护元件分类

 　来自美国的ESD保护专家Robert Ashton博士说，一般而言，ESD保护元件的分类可以通过其保护策略与方向性来进行，主要包括压敏电阻、聚合物和瞬态电压抑制器()等，如表1所示。在这几种保护元件中，压敏电阻在低电压时，呈现出高电阻，其中的每个小型二极管两端的电压都相当低，同时电流也相当小；而在较高电压时，其中的独立二极管开始导通，同时压敏电阻的电阻会下降。从表1中我们也可以看出压敏电阻为双向保护元件。而对于带导电粒子的聚合物而言，在正常电压下，这些材料拥有相当高的电阻，但当发生ESD冲击时，导电粒子间的小间隙会成为突波音隙阵列，从而带来低电阻路径。

　　瞬态电压抑制器(TVS)则为采用标准与齐纳二极管特性设计的硅芯片元件。TVS元件主要针对能够以低动态电阻承载大电流的要求进行优化，由于TVS元件通常采用集成电路(IC)方式生产，因此我们可以看到各种各样的单向、双向及以阵列方式排列的单芯片产品。

利用屏幕截图和TLP进行ESD保护元件的大电流性能鉴定

　　Ashton博士说在正常工作条件下，ESD保护元件应该保持在不动作状态，同时不会对电子系统的功能造成任何影响，这可以通过维持低电流以及足以在特定数据传输速率下维持数据完整性的低电容值来达成。而在ESD应力冲击或者说大电流冲击条件下，ESD保护元件的{dy}个要求就是必须能够正常工作，要有够低的电阻以便能够限制受保护点的电压；其次，必须能够快速动作，这样才能使上升时间低于纳秒的ESD冲击上升时间。

　　众所周知，对于电子系统而言，它必须能够在IEC 61000-4-2标准测试条件下存续。虽然大部分的ESD保护元件都宣称能够承受IEC 61000-4-2所指定的应力冲击等级，如8 kV或第四级(Class 4)，但业界却没有公认的ESD保护元件大电流抑制特性测试的合格标准。对此，安森美半导体给出了自己的定义，也就是在±10 kV应力电压 (高于8 kV)测试下，被测器件仍然符合其数据表规范，且器件特性没有显著变化。不过，要比较不同ESD保护元件的大电流抑制特性，还需要对其进行测试鉴定。而通过对不同ESD保护元件施加大电流冲击所产生的波形的屏幕截图对比，是重要的{dy}步。

　　图3的屏幕截图就是这样一个范例。从图中可以看出，半导体的TVS元件可以迅速将ESD应力降低，即从8 kV静电电压钳位到5至6 V的水平；但压敏电阻的曲线则下降得很慢，而且无法降到很低的水平。该曲线表明，TVS器件的恢复时间非常短，经过TVS器件泄漏到后面电路的能量也非常少，特别适合于便携式设备的应用。

4，提供系统可靠性及稳定性的重要措施---ESD保护器件

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 概述

　　ESD脉冲、电源瞬变、浪涌等现象是损坏芯片的主要原因。NXP提供一个新系列的ESD保护二极管, 非常适用于对抗ESD及其他电压突变脉冲。这些器件最多可以保护18个数据通道，{zd0}可抵抗30kV的尖峰脉冲. 其引脚容抗仅为10pF，非常适合保护高速或高频（可达200MHz以上）数据线，由于他们的小体积及非常小的漏电流，他们非常适用于一些对空间及功耗要求严格的场合，如电池供电及手持设备。

　　PSED3V3L2UM及PESD5V0L2UM为市场中{zx0}推出的无引脚封装的ESD保护器件, 超小的SOT883封装, 支持15kV的保护级别, 1.0mm x 0.6mm x 0.5mm体积使其支持更高的保护级别, 体积相比SOT23缩小了90%。 

主要特性

    * 出色的ESD保护特性

    * 极低容抗

    * 超快的响应速度(<1ns)

    * 低钳位电压 

    * 超低漏电流 

    * 极小封装 

    * IEC 61000-4-2,level 4 认证(> 15 kV 非接触放电, > 8 kV 接触放电)

    * HBM MIL-Std 883, class 3认证(> 4 kV)

    通过此图，我们可以清晰看出，ESD保护器件在抑制ESD、电气快速瞬变（EFT）、浪涌瞬变有出色表现。

典型应用

    * 掌上电话

    * 手持设备

    * 计算机及外设 

    * 通信系统 

    * 音频和视频设备 

    * 高速数据传输线 

范例应用

电路板布线及 ESD保护相关经验

    电路板布线对于抑制ESD、电气快速瞬变（EFT）、浪涌瞬变是非常关键的。建议遵循如下的指导方针：

    * 尽可能将ESD保护器件靠近输入端或者连接器。

    * ESD保护器件与被保护线之间的线路距离应该尽量短。

    * 尽量减少信号线路并排走线。

    * 避免被保护的导线与未被保护的导线并排走线。

    * 所有印刷电路板的传导环路包括电源和地线环路应该尽量少。

    * 瞬变现象回到地的线路距离应该尽量短。

    * 避免与其他器件使用同一条回路来连接公共接地点。

    * 尽可能使用接地层，多层印刷电路板应使用接地过孔。

5，文章推荐

《ESD保护器件的主要特性参数分析及典型应用》

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