解析大幅提高产品可靠性的ESD保护技术

ESD保护基础知识

集成电路(IC)和专用集成电路(ASIC) 在生产设计时都会自带ESD保护功能，这种保护电路设计是为了最大限度的提高产品的可靠性和制造效率，比如一些微处理器、通用串行总线收发器芯片、IEEE 1394控制器、视频图形芯片等。这些芯片被大量用在如电脑外设、手机、PDA、平板液晶显示和网络硬件等设备上。

芯片的ESD保护设计要充分权衡保护电路和功能电路所占的空间。随着越来越多保护器件被设计到芯片内部，其可靠性得到了显著的增强，但这就意味着用于功能性电路的设计空间被压缩，而在今天的电子设备中压倒一切的哲学是：越小越好，所以有限的ESD保护的空间量会被牺牲掉。

目前芯片的典型的ESD电压值是2000 V，虽然在制造过程中这足以提供芯片的ESD保护能力，这个级别的保护基本能够满足芯片的生产设计的要求。但在最终的产品中还需要更高级别的ESD保护技术应用在设计中。由于在生产中对湿度和静电防护的考虑，要求在生产车间需要工作人员的服装和鞋子做相应的防护处理。

然而，一旦终端产品(电脑、掌上电脑、打印机等)投入使用，它将被暴露在高于人为控制的生产环境水平的ESD中。除非做相应的防ESD的电路设计或者人为改变使用环境，否则这些终端将很难在实际环境中使用。显然ESD保护作为产品可靠性的一个重要方面，需要在电路设计中作为重要的补充设计来对待。

图1 无ESD保护的数据链路

图2 带ESD保护的数据链路

ESD保护技术

图3 ESD波形

Littelfuse产品提供了三个用于防静电抑制产品类别，其中包括陶瓷多层压敏电阻(MLV)、硅(SP72x和SP050x)和聚合物PulseGuard® 抑制器产品。他们每类产品都有其特有的属性，但是总的来说，他们都是防静电抑制的有效解决方案。

这些技术的产品用于保护电路免受外部干扰（比如电路自身生成的ESD) 威胁。此外，MLV和SP72x产品还可以对系统自己生成的电压瞬变（包括EFT’s、浪涌）进行防护。这些保护电路的目的是把暂态电压“钳位”在安全的工作水平（(DC3.3V、DC6V、DC12V..)，并将瞬间能量通过ESD电路通路泄放。

多层陶瓷压敏电阻

多层陶瓷压敏电阻(MLV)是由金属电极和陶瓷层构成。正常状态下氧化锌陶瓷相当于绝缘层用于电路之间的隔离，然而当电压升高（在ESD事件）时，氧化锌晶体的载流子起到在高低电压间传递电能的作用，并通过保护电路将浪涌能量释放掉。

MLV是3.5-120VDC（2.5-107VAC）系统ESD最有效的保护技术方案，它们也可以用于提供保护电器的快速瞬变（EFT）。此外，其本身的寄生电容（65-4500pF）还可以提供对高频滤波。

MHS系列产品作为MLV系列中的新产品，其在封装尺寸和寄生电容方面都有着更出色的表现，其中，MHS的封装采用更小的0402封装，其寄生电容低至3-12pf。因此其非常适合高速数据通信（高达125Mbps）或者对空间有较高需求的应用场合。

图4 多层陶瓷压敏电阻

SP72x可控硅阵列系列产品

SP72x系列产品是由多个可控硅单元构成，这些可控硅单元就是一个个开关，当信号输入高于V+时，上桥臂导通；当信号电压低于V-时，下桥臂导通。以图5中PIN1为例，一旦瞬态电压超过V +(5针) 0.7 V，上桥臂导通，短路PIN1和PIN5。同样，一旦一个瞬间的电压下跌至低于V- 的0.7 v时，下桥臂导通，短路PIN1和PIN2。通过这种方式保护如图5所示的PIN1\ PIN3\ PIN4\ PIN6管脚上的线路。

SP72x是一款可以用于通信线路保护、也可以用于高能EFT和浪涌的ESD保护产品， 该系列产品具有超低的寄生电容（3-5 pF），使其可以用于高速数据通信的ESD保护。

图5 SP72x系列可控硅阵列

SP05xx系列TVS\雪崩二极管阵列产品

图6 SP05xx系列TVS\雪崩二极管阵列

SP05xx系列产品是有多个雪崩二极管（瞬间把将线路接地）构成，简单地说, 二极管的功能就像一个开关，一旦瞬态电压超过的击穿电压，二极管会反向导通，与此同时,瞬态电压被钳制到一个较低的值。

SP05xx产品可以提供多种封装和多种包装数量的产品，封装包括SOT-23、SOT-143、TSSOP、MSOP和芯片扩展包(CSP)。SP05xx系列产品可以提供1-18个不同的独立雪崩二极管，这些二极管的寄生电容在3-39pF之间，低电容设计使其适合于高速(100 Kbps-100 mbps)接口的ESD保护。

压敏聚合物PulseGuard保护技术

PulseGuard抑制器产品是由两个电极及其中间的空隙构成，其中空隙部分电流不能通过，在空隙中填充了压敏导电材料，这个压敏材料(VVM)也有类似的氧化锌材料MLV。在正常条件下VVM相当于绝缘体,但当一个ESD瞬态发生时，VVM转换为导体将ESD分流至地。

PulseGuard抑制器产品于MLV和SP72x不同，后者适用于ESD保护，而聚合物材料不能够承受更高能级的EFT和浪涌瞬变，但由于PulseGuard产品具有较低的寄生电容(.050最低pF)，可以用于通信速度在3 - 5 Gbps之间的通信接口保护。

图7 压敏聚合物