迷你倉ESD保護方法的對比分析自存倉

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2009-12-12 11:04:45 - 儲存
mini storage　　在人們的日常工作生活中，靜電放電(ESD)現象可謂無處不在，瞬間產生的上升時間低於納秒(ns)、持續時間可達數百納秒且高達數十安培的電流，會對手機、筆記本電腦等電子系統造成損傷。
　　對於電子系統設計人員而言，如果沒有採取適當的ESD保護措施，所設計的電子產品就會有遭到損傷的可能。因此，電子系統設計中的一項重要課題便是確保使其能夠承受ESD的衝擊，並繼續正常工作。
ESD保護方法
　　為了給電子系統提供ESD保護，可以從不同的角度來著手。一種方法是在半導體芯片內建ESD保護架構。不過，日趨縮小的CMOS芯片已經越來越不足以承受進行內部2 kV等級的ESD保護所需要的面積。安森美半導體標準產品部亞太區市場營銷副總裁麥滿權指出：真正有效的ESD保護是不能完全集成到CMOS芯片之中的！
　　其次，也可以在物理電路設計方面下功夫，較敏感的電路元件應該盡量遠離通孔或接縫處，如果可能的話，線纜連接器的接地應該要在系統信號引腳接觸前先連接到系統的接地，通過這樣的方式，線纜上所發生的放電事件就比較不會造成干擾或破壞。
　　此外，軟件也能夠為ESD設計作出貢獻。系統連接的感測器比較容易受到ESD的衝擊，造成接口電路的鎖住情況，而能夠感測鎖住情況的軟件則可以用來重置接口電路且無須操作人員的介入。
　　不過，總是有部分電路點較為敏感，同時也很難與外部隔離。因此，最有效的方法是使用保護元件來將電流導離較敏感的元件。也就是在電子系統的連接器或端口處放置ESD保護元件，使得電流流經保護元件，且不流經敏感元件，以維持敏感元件的低電壓，使其免受ESD應力影響，進入有效控制ESD事件的發生，如圖1所示。當然，合格的ESD元件必須具有低洩漏和低電容，且在多重應力作用下功能不下降，從而不降低電路的功能。
常見ESD保護元件分類
　　來自美國的ESD保護專家Robert Ashton博士說，一般而言，ESD保護元件的分類可以通過其保護策略與方向性來進行，主要包括壓敏電阻、聚合物和瞬態電壓抑 製器(TVS) 等，如表1所示。在這幾種保護元件中，壓敏電阻在低電壓時，呈現出高電阻，其中的每個小型二極管兩端的電壓都相當低，同時電流也相當小；而在較高電壓時，其中的獨立二極管開始導通，同時壓敏電阻的電阻會下降。從表1中我們也可以看出壓敏電阻為雙向保護元件。而對於帶導電粒子的聚合物而言，在正常電壓下，這些材料擁有相當高的電阻，但當發生ESD衝擊時，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。
　　瞬態電壓抑製器(TVS)則為採用標準與齊納二極管特性設計的硅芯片元件。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元件通常採用集成電路(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。
利用屏幕截圖和TLP進行ESD保護元件的大電流性能鑒定
　　Ashton博士說在正常工作條件下，ESD保護元件應該保持在不動作狀態，同時不會對電子系統的功能造成任何影響，這可以通過維持低電流以及足以在特定數據傳輸速率下維持數據完整性的低電容值來達成。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制受保護點的電壓；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。
　　眾所周知，對於電子系統而言，它必須能夠在IEC 61000-4-2標準測試條件下存續。雖然大部分的ESD保護元件都宣稱能夠承受IEC 61000-4-2所指定的應力衝擊等級，如8 kV或第四級(Class 4)，但業界卻沒有公認的ESD保護元件大電流抑制特性測試的合格標準。對此，安森美半導體給出了自己的定義，也就是在±10 kV應力電壓 (高於8 kV)測試下，被測器件仍然符合其數據表規範，且器件特性沒有顯著變化。不過，要比較不同ESD保護元件的大電流抑制特性，還需要對其進行測試鑒定。而通過對不同ESD保護元件施加大電流衝擊所產生的波形的屏幕截圖對比，是重要的第一步。
　　圖3的屏幕截圖就是這樣一個範例。從圖中可以看出，半導體的TVS元件可以迅速將ESD應力降低，即從8 kV靜電電壓鉗位到5至6 V的水平；但壓敏電阻的曲線則下降得很慢，而且無法降到很低的水平。該曲線表明，TVS器件的恢復時間非常短，經過TVS器件洩漏到後面電路的能量也非常少，特別適合於便攜式設備的應用。storage