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关于移动设备应用的ESD设计考量 |
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作者：Kedar Bhatawadekar |
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智能手机的广泛兴起和其种类繁多的应用、更快的网络速度、以及更加实惠的数据计划现已经使移动社交网络比桌面社交网络更加流行。同时，许多便携设备已经演变成小型多功能性的计算设备，已经能够执行非常多样化的任务。
为满足日益复杂的移动用户的需求，便携设备的设计导致更多的输入/输出（I/O）互连的集成。更高的电流密度、更小的晶体管几何形状、以及有限的用于芯片保护的可用空间都将导致增加电子元件对诸如静电放电（ESD）等瞬态电气过载事件的敏感性。对于这些有高数据流的应用，减少这些瞬态情况的事件的影响以防止现场输入和设备输出的数据损坏是一种重要的设计考量。
传统上的ESD保护一般有各种齐纳二极管、金属氧化物可变电阻（MOV）和瞬态电压抑制二极管（TVS）。然而，由于USB3.0、HDMI 1.3/1.4、eSATA接口、Display Port和数字视频接口（DVI）的高数据传输速率，传统保护器件的寄生阻抗可能会扭曲和恶化信号的完整性。
正如图1所示， 最新一代的硅ESD（SESD）保护器件可在空间受限的便携式电子产品和手机中提供一种合适的ESD保护解决方案，可以帮助设备通过IEC61000-4–2的第4级测试。这些器件较前一代元件小大约70％。其低电容、低插损和高线性度的电容与频率比，也有利于最大限度地减少信号衰减。
图1、SESD元件由于其低电容量适用于各种高数据速率的应用
ESD基本知识
一个ESD事件是在两个带有不同静电电位的物体之间发生的能量相互传递，通过接触、电离放电或火花放电来完成。材料类型、接触面积、分离速度、相对湿度和其他因素影响着由摩擦产生的电荷总量。一旦在一种材料中有电荷出现，它就会变成一个“静电”电荷。这些电荷可能从材料中转移，激发ESD事件的发生。
静电的主要来源大多数是绝缘体和典型的合成材料，例如：乙烯树脂、塑料工作平台、绝缘鞋、成型的木制椅子、透明粘胶带、气泡袋和不直接接地的焊锡烙铁。
如图2所示：这是一个典型的ESD的特性曲线。为了模拟此类接触放电事件，一台ESD发生器产生了一个ESD脉冲到正处于测试的器件上。这类测试的特点是极短的上升时间和低于100ns的脉冲持续时间，是一个低能量的静电脉冲。这些放电事件产生的电压水平可能极高，因为它们的电荷是不会轻易通过其表面或向其他物体分散。
图2、ESD发生器模拟的典型8KV的ESD脉冲
最常见的ESD来源有：
· 带电的人体—— 一个人在走路或者有其他动作的时候则可能带电，如果人身上的电荷通过一个金属物体、如一件工具释放时， ESD的破坏会变得特别严重。
· 与地毯摩擦的电缆——如果一条带电的电缆插入到任何一个带电触点时，一次ESD瞬间放电很可能发生。
· 操作聚乙烯袋—— 电子产品在滑入或者滑出包装袋或者包装管槽时，可能会产生静电电荷，因为设备的外壳和/或金属引线与容器的表面发生了多次接触和分离。
ESD带来的损坏
ESD事故的产生和电子设备运行的环境相关。瞬态发生环境差别很大，在汽车电子系统、机载或船载设备、空间系统、工业设备或者消费产品中有着实质性的差异。
随着笔记本电脑、手机和其他移动设备越来越广泛的应用，用户在电缆连接和断开时将有更大可能触摸到I / O连接器的引脚。在正常工作条件下，触摸一个暴露的端口或接口，可以导致超过30kV以上静电的放电。
小尺寸的半导体器件由于不能承受过高的电压、过高电流或者是两者的结合而被损坏，过高的电压可能会导致栅氧化层被击穿，而过高的电流会造成接合点发生故障和金属连线熔化。
SESD保护器件为高速I/O接口提供保护
由于IC制造商已经采用了更高频率I/O接口互联，他们继续缩减晶体管的最小尺寸、互连及其器件中的二氧化硅(SiO2)绝缘层，这导致了在更低能量水平下发生击穿损坏的可能性的增加，使得ESD保护成为首要的设计考虑因素。
基于国际标准IEC61000-4-2，大多数的电子设备必须满足抵御最低8kV的接触放电或者15kV的空气放电。不幸的是，许多半导体器件无法承受这一级别的静电冲击，并可能会造成永久性损坏。为了提高其生存能力，系统中必须设计芯片外的额外保护电路。
在高速I / O接口的ESD保护设计中有两个主要的设计考虑因素：
· 高速I / O接口的ESD保护电路必须足够强大，以能够有效地保护内部电路的薄栅氧化层免受ESD冲击带来损坏。
· 由于ESD保护器件的寄生效应对高速电路性能降低的影响需要最小化。
分立元件走向小型化的趋势仍在继续，这经常给设计师带来困难和耗时的工程样机制作和返修挑战，以及生产工艺的控制问题。TE电路保护部新的SESD器件满足了高速应用的必然需求，也能够帮助解决装配和制造挑战。
如图3所示：SESD元件用于转移具有潜在破坏性的电荷，使其远离敏感的电路，并帮助保护系统免于故障。通过将硅器件的优势与传统的表面贴装技术（SMT）无源器件封装配置相结合，它们比传统的半导体封装的ESD器件更容易安装和维修。
图3、SESD器件有助于保护敏感电路免受ESD的损害
除了它们的小尺寸外，SESD的双向操作性可以方便地放置到印刷电路板上，没有方向的约束并消除了极性检查的需要。不同于在器件底部采用焊盘的传统ESD二极管，被动元件式的封装在器件安放在PCB上后，也可以方便地实现焊接检查。
ChipSESD的8x20?μs 波形的额定浪涌电流为2A，以及额定等级10kV的ESD接触放电。其低漏电流（最大1.0μA）降低了功耗和快速响应时间（<1ns）可以帮助设备通过IEC61000-4–2标准的第4级测试。4.0pF(0201封装)和4.5pF（0402封装）的输入电容值，使其适合用于保护以下设备：
· 移动电话和便携式电子设备
· 数码相机和摄像机
· 计算机I/O端口
· 键盘、低电压直流电线、扬声器、耳机和麦克风
小结
便携设备的持续小型化与功能提升相结合，使得系统需要更强有力的保护以免受ESD事件引起的损坏。ESD瞬态事件可能破坏设备的运行或者导致潜在的损害和安全问题。小体积、低电容的SESD器件提供了一种简单的、高性价比成本效益的解决方案。
作者:Kedar Bhatawadekar TE电路保护部的产品应用工程师
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/30/2011) |
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