高速电路的ESD保护最佳设计方案

高速电路的ESD保护最佳设计方案

       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，最好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。　　

       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，一些新型电脑和更高端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功能的器件将具有最佳性能。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）。