ESD 已經(jīng)存在了很長時(shí)間——可能是在大爆炸之后不久。在人類存在的大部分時(shí)間里，它都是通過宏觀效應(yīng)而聞名的，比如靜態(tài)附著和與金屬物體的輕微接觸。然而，自從半導(dǎo)體問世以來，保護(hù)電子設(shè)備免受 ESD 損壞一直是制造商的主要目標(biāo)。不這樣做可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果。

ESD 損壞可能是由于電壓過高、電流過大或兩者兼而有之。高電壓會(huì)導(dǎo)致柵極氧化物穿通，而過高的 I 2 R 電平會(huì)導(dǎo)致結(jié)故障和金屬化跡線熔化。隨著制造幾何尺寸的不斷縮小——英特爾的 Haswell 使用 22nm 工藝——可能導(dǎo)致 ESD 相關(guān)故障的電壓和電流水平也降低了。這使得即使是相對(duì)較低水平的片上 ESD 保護(hù)也難以提供。因此，重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到單獨(dú)的 ESD 保護(hù)器件上。

改變應(yīng)用環(huán)境帶來問題

筆記本電腦、手機(jī)、MP3 播放器、數(shù)碼相機(jī)和其他手持移動(dòng)設(shè)備的普及給 USB 3.1、HDMI 2.0、DisplayPort 等高速高速差分接口帶來了特殊問題。在這些不受控制的環(huán)境中，業(yè)主在連接和斷開電纜時(shí)經(jīng)常觸摸 I/O 連接器引腳;當(dāng)用戶將相機(jī)、游戲和其他設(shè)備插入其 USB 和視頻端口時(shí)，設(shè)備會(huì)受到持續(xù)的 ESD 壓力。

協(xié)議數(shù)據(jù)速率 (Gb/s) PCIe 3.0 7.877 SATA 3.1 1.5、3.0。6.0 DisplayPort 1.2a Source 1.62, 2.7, 5.4 USB 3.1 10.0 SGMII 1.25 HDMI 2.0 6 表1：一些常見的高速串行接口

IEC 61000-4-2是系統(tǒng)級(jí) ESD 測(cè)試的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，旨在復(fù)制帶電人員在最終用戶環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)放電。系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的目的是確保成品能夠正常運(yùn)行，一般假設(shè)用戶在使用產(chǎn)品時(shí)不會(huì)采取任何ESD預(yù)防措施。產(chǎn)生的靜電放電可在 30 ns 內(nèi)達(dá)到高達(dá) 16A(IEC 61000-4-2 4 級(jí)，8kV 接觸放電)。

ESD保護(hù)技術(shù)

在高速串行接口中，ESD 保護(hù)器件僅僅鉗制 ESD 脈沖是不夠的：它必須在不損害高速鏈路的信號(hào)完整性的情況下這樣做。

隨著速度的提高，接口在整個(gè)信號(hào)路徑中保持阻抗匹配至關(guān)重要。任何阻抗不匹配都會(huì)導(dǎo)致線路反射，從而增加抖動(dòng)并可能影響信號(hào)質(zhì)量，因此高速串行接口需要對(duì)信號(hào)路徑中的任何外部組件進(jìn)行嚴(yán)格的電容限制。

添加所需的 ESD 保護(hù)也會(huì)增加不需要的額外電容。對(duì)于傳統(tǒng)的 ESD 器件架構(gòu)，隨著保護(hù)級(jí)別的提高，器件電容也會(huì)增加，這迫使設(shè)計(jì)人員在信號(hào)完整性和 ESD 保護(hù)之間做出選擇。半導(dǎo)體二極管具有許多理想的特性，例如低鉗位電壓、快速導(dǎo)通時(shí)間和更好的可靠性，但直到最近才具有比其他架構(gòu)更高的電容。

最近，制造商推出了基于二極管的保護(hù)器件，其電容非常低，專門用于高速應(yīng)用。例如，NXP的PUSB3FR4旨在保護(hù)高速接口，例如 10 Gbps 的 SuperSpeed USB 3.1。該器件包括四個(gè)高級(jí) ESD 保護(hù)二極管結(jié)構(gòu)，采用無引線小型 DFN2510A-10 (SOT1176-1) 塑料封裝。

所有信號(hào)線均由提供 0.29 pF 線路電容的特殊二極管配置保護(hù)。二極管采用回彈結(jié)構(gòu)，以便為下游組件提供高達(dá) +/-15 kV 接觸的 ESD 電壓保護(hù)，超過 IEC 61000-4-2 第 4 級(jí)。

類似的PUSB3FR6帶有六個(gè) ESD 器件，為 USB 2.0 和 USB 3.1 的接口組合提供系統(tǒng)級(jí)保護(hù)，這是新型 USB Type C 連接器的一個(gè)特性。

安森美半導(dǎo)體在這個(gè)市場上也很活躍：其ESD7008為 UDFN18 封裝中的 4 個(gè)差分對(duì)(8 條線路)提供 ESD 保護(hù)，并具有 0.12pF 的典型接地電容。

布局建議

PCB 上的許多寄生元件可能會(huì)降低系統(tǒng)的整體 ESD 性能，因此有必要優(yōu)化 ESD 保護(hù)器件的布局和 PCB 布局，以實(shí)現(xiàn)最佳的 ESD 性能。

這里有一些建議：

· 必須通過縮短返回到 GND 通孔的接地路徑來盡可能減少寄生電感。

· 對(duì)稱布局還可以減少寄生電感。連接 ESD 設(shè)備一側(cè)的連接器和另一側(cè)的收發(fā)器非常重要。

· 為避免 ESD 在 PCB 上傳播，必須將 ESD 保護(hù)器件放置在盡可能靠近 ESD 源的位置。

· 由于 ESD 應(yīng)力可以在接口電纜的兩側(cè)傳播，因此需要在電纜的每一端安裝保護(hù)裝置。

用于高速流通封裝的 ESD 保護(hù)器件有助于正確的布局實(shí)踐。圖 2 顯示了 ST 的HSP061-4NY8的引腳排列，它為 HDMI、USB 3 和類似接口提供 4 線 ESD 保護(hù)。I/O 對(duì)地電容為 0.6pF，差分阻抗在 HDMI 規(guī)范下為 100 Ω 典型值。

同樣，ON 的 ESD7008 上的流通式封裝允許簡單的 PCB 布局和匹配的走線長度，以保持一致的阻抗。

許多其他制造商還提供用于高速使用的 ESD 保護(hù)器件，這些器件旨在滿足 IEC612004-4-2 標(biāo)準(zhǔn)。