隨著更新的集成電路(IC) 技術采用更小的幾何尺寸和更低的工作電壓，新一代便攜式產(chǎn)品對靜電放電 (ESD)電壓的損壞越來越敏感。因此，手機、MP3播放器和數(shù)碼相機等便攜式產(chǎn)品的設計人員必須評估 ESD 保護選項，以確保他們選擇的解決方案能夠響應當今 IC 不斷變化的需求。本文將解釋選擇有效 ESD 保護所涉及的關鍵步驟。

ESD 波形

定義系統(tǒng)級典型 ESD 事件的最常用波形是 IEC61000-4-2 波形，其特點是亞納秒級上升時間和高電流水平。該波形的規(guī)范列出了 4 個級別的 ESD 幅度。大多數(shù)設計人員都需要將他們的產(chǎn)品認證到最高級別，即 8kV 接觸放電或 15kV 空氣放電。在組件級別進行測試時，接觸放電測試是最合適的測試，因為空氣放電測試在如此小的組件上是不可重復的。

ESD 考慮因素——最近的設計趨勢

ESD 保護器件的目的是將數(shù)千伏的 ESD 輸入降低到受保護 IC 的安全電壓，并將電流從 IC 中分流出去。盡管所需 ESD 波形的輸入電壓和電流在過去幾年中沒有發(fā)生變化，但保護 IC 所需的安全電壓水平已經(jīng)降低。過去，IC 設計對 ESD 更穩(wěn)健，可以處理更高的電壓，因此選擇任何保護二極管就足夠了能夠滿足 IEC61000-4-2 4 級要求。對于更新、更敏感的 IC，當今的設計人員不僅必須確保保護器件能夠滿足 IEC61000-4-2 4 級標準，而且還要確保器件將 ESD 脈沖鉗位在足夠低的電壓，以確保IC沒有損壞。在為給定應用選擇最佳保護器件時，設計人員必須考慮 ESD 保護器件將傳入的 ESD 事件鉗位到多低。

如何選擇最有效的保護解決方案

保護二極管數(shù)據(jù)表中的關鍵直流規(guī)格是擊穿電壓、漏電流和電容。大多數(shù)數(shù)據(jù)表還將說明 IEC61000-4-2 的最大額定值，這表明二極管不會被指定水平的 ESD 脈沖損壞。大多數(shù)數(shù)據(jù)表的問題在于它們沒有任何關于高頻、高電流瞬態(tài)(如 ESD)的鉗位電壓的信息。與直流相比，在這些類型的瞬態(tài)事件中，保護二極管的鉗位電壓要高得多數(shù)據(jù)表上指定的電壓。然而，很難為 IEC61000-4-2 規(guī)范指定鉗位電壓，因為它旨在成為系統(tǒng)級別的通過/失敗規(guī)范，而且頻率很高。要將這個規(guī)范應用于保護器件，不僅要檢查保護二極管是通過還是失敗，而且還要檢查它對 ESD 電壓的鉗位有多低。

比較保護二極管鉗位電壓的最佳方法是在 ESD 事件期間對二極管兩端的實際電壓波形進行示波器截屏。這是使用測試設置完成的。

當查看暴露于 IEC61000-4-2 的 ESD 保護設備的電壓波形時，通常會出現(xiàn)初始電壓尖峰，然后是二次峰值，最終電壓將趨于平穩(wěn)。初始尖峰是由 IEC61000-4-2 波形的初始電流尖峰和測試結(jié)構(gòu)中的電感導致的過沖共同引起的。然而，初始尖峰持續(xù)時間很短，這限制了傳輸?shù)?IC 的能量。保護裝置的鉗位性能最好顯示在初始超調(diào)之后的曲線中。次要峰值是主要問題，因為電壓波形持續(xù)時間更長，從而增加了 IC 將暴露的總能量。在下面的研究中，鉗位電壓被定義為次級峰值的最大電壓。

基準研究示例

為了進行公平比較，所選部件應具有相似的封裝尺寸和數(shù)據(jù)表規(guī)格。為進行比較而選擇的部件是三個 ESD 保護二極管，在比較數(shù)據(jù)表中的電氣特性時，它們被認為可以直接替代。這些器件都是雙向 ESD 保護二極管，具有相同的擊穿電壓 (6.8V)、電容 (15pf) 和封裝外形 (1.0 mm x 0.6 mm x 0.4 mm)。本研究選擇的產(chǎn)品是 Rohm 的 RSB6.8CS、KEC 的 PG05DBTFC 和 ON Semiconductor 的 ESD9B5.0ST5G。

在比較上述部件的直流性能時，它們看起來似乎相同。此外，它們都聲稱符合 IEC61000-4-2 4 級標準，這意味著它們都能承受高達 8 kV 接觸的 ESD 沖擊。ESD 保護器件確保保護敏感 IC 的關鍵性能特性不是直流性能，而是直流性能。然而，盡管設備符合 IEC61000-4-2 第 4 級標準很重要，但更重要的是受保護的 IC 能夠存活。為確保 IC 在 ESD 事件中存活，保護二極管必須將 ESD 電壓鉗位到足夠低的值，以免 IC 受損。

為了比較每個器件的鉗位性能，我們將對 ESD 事件期間的電壓波形進行示波器截圖。我們將進行并排測試，保持所有測試條件相同。下面的顯示了同一圖表上每個二極管對正負 ESD 脈沖的響應。使用的輸入脈沖是標準 IEC61000-4-2 4 級觸點 (8 kV)。

當施加 ESD 的大電流條件時，三個保護二極管的性能存在明顯差異。與 KEC 和 Rohm 部件(藍色波形)相比，安森美半導體保護解決方案(黑色波形)為 ESD 脈沖提供了更低的鉗位電壓。對于正脈沖，ON Semiconductor 部件鉗位在 14 V，而 KEC 為 18 V，Rohm 為 23 V。在施加負脈沖期間，三個器件之間的鉗位電壓差變得更加明顯。ON Semiconductor 部分的負脈沖鉗位電壓為 20 V，KEC 部分為 34 V，Rohm 部分為 42 V。在負 ESD 事件期間，這三個器件之間存在明顯的區(qū)別，其中 KEC 部件的鉗位電壓比 ON Semiconductor 部件高 70%，而 Rohm 部件的鉗位電壓是 ON Semiconductor 部件的兩倍以上。KEC 和 Rohm 產(chǎn)品通過的負脈沖的總電壓可能對更容易受到 ESD 損壞的新 IC 設計構(gòu)成危險。然而，安森美半導體部件在兩個方向上都保持低鉗位電壓，從而將正負 ESD 脈沖的風險降至最低。KEC 和 Rohm 產(chǎn)品通過的負脈沖的總電壓可能對更容易受到 ESD 損壞的新 IC 設計構(gòu)成危險。然而，安森美半導體部件在兩個方向上都保持低鉗位電壓，從而將正負 ESD 脈沖的風險降至最低。KEC 和 Rohm 產(chǎn)品通過的負脈沖的總電壓可能對更容易受到 ESD 損壞的新 IC 設計構(gòu)成危險。然而，安森美半導體部件在兩個方向上都保持低鉗位電壓，從而將正負 ESD 脈沖的風險降至最低。

一個好的保護器件必須對正負 ESD 脈沖進行良好的鉗位，以保證最終產(chǎn)品在實際條件下的最高可靠性。雙向低鉗位電壓可確保器件保護最敏感的 IC，從而使設計人員能夠利用最新的 IC 技術推動功能和速度的極限。鑒于鉗位電壓在選擇 ESD 保護器件中的重要性日益增加，許多保護公司都在 ESD 保護器件的數(shù)據(jù)表中提供了 ESD 鉗位屏幕截圖。