充電機(jī)充電高速電路的ESD保護(hù)最佳設(shè)計(jì)方案
2017-7-7 8:35:56??????點(diǎn)擊：
充電機(jī)放電（ESD）會(huì)給充電機(jī)器件環(huán)境會(huì)帶來(lái)破壞性的后果。事實(shí)上，在各種各樣充電機(jī)充電電路的充電機(jī)充電電路封裝和經(jīng)過(guò)裝配、正在使用大充電機(jī)器件中，超過(guò)25%的半導(dǎo)體芯片損壞歸咎于ESD。
通常情況下，來(lái)自人體某個(gè)部分（手指）的充電機(jī)放電將給給不同的材料充電，隨后傳遞到附著在充電機(jī)器件的導(dǎo)電觸點(diǎn)。這將造成IC損壞，并有理由指責(zé)終端用戶器件制造商。
這個(gè)問(wèn)題非常嚴(yán)重，以至于歐盟（European Union）已經(jīng)為任何在經(jīng)濟(jì)區(qū)銷售的商品制定了特殊的ESD抑制標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在充電機(jī)設(shè)計(jì)工程師必須為當(dāng)今更敏感的半導(dǎo)體提供有效的ESD充電機(jī)保護(hù)。
不幸地是，這項(xiàng)任務(wù)經(jīng)常遵循事后回想的充電機(jī)設(shè)計(jì)原則：首先搭建沒(méi)有額外過(guò)壓瞬間抑制的充電機(jī)充電電路，依靠板上的IC來(lái)進(jìn)行充電機(jī)保護(hù)。如果測(cè)試能顯示在原型階段的靈敏 度，那么就加上充電機(jī)保護(hù)器件。如果這種方法被采用來(lái)滿足當(dāng)今更低放大充電機(jī)充電電壓，增加頻率和更低噪聲的要求的話，整個(gè)充電機(jī)設(shè)計(jì)必須最優(yōu)的并是集成的。在末端增加充電機(jī)保護(hù)可能 非常昂貴，或由于時(shí)間限制而不切實(shí)際。
通常，ESD事件是由根據(jù)充電過(guò)程類型和瞬態(tài)電泳嚴(yán)重程度的三種主要ESD算法描述的：人體模型（HBM）、充電機(jī)件模型（CDM）和機(jī)器模型 （MM）。這些模型定義了瞬變效應(yīng)的類型，因此充電機(jī)設(shè)計(jì)工程師們就可以定義明確的半導(dǎo)體過(guò)壓芯片瞬變等級(jí)靈敏度，以及芯片及裝配產(chǎn)品測(cè)試規(guī)程。利用這些模型， 充電機(jī)充電電路充電機(jī)設(shè)計(jì)工程師可以測(cè)試芯片和產(chǎn)品的ESD充電機(jī)保護(hù)效率相一致，而且可以定量地與可選方案進(jìn)行比較。
電荷通過(guò)一系列電阻器直接傳遞，例如人的手指，是最普遍的ESD損壞原因。因此，優(yōu)秀的ESD模型是HBM。在測(cè)試中待測(cè)器件中（DUT），這是由 一個(gè)100pF的電容通過(guò)一個(gè)1500Ω的電阻向器件充電機(jī)放電來(lái)表示的。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)版本是軍用規(guī)范883方法3015（圖1a）。
最流行的HBM變種是國(guó)際電工委員會(huì)IEC1000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，定義為150pF電容通過(guò)一個(gè)330Ω電阻充電機(jī)放電（圖1b）。這是歐盟對(duì)在其區(qū)域內(nèi)商品銷售所必須的國(guó)際測(cè)試。
但是，明顯的瞬間充電機(jī)充電電壓威脅和能量等級(jí)的不同存在于兩個(gè)模型之中。于是充電機(jī)設(shè)計(jì)工程師可以使測(cè)試過(guò)程適合他們所期望的具體應(yīng)用。例如，IEC1000-4-2具有一個(gè)非?？焖俚碾娖矫}沖上升時(shí)間，能應(yīng)用更多的脈沖和更高的峰值電流（見(jiàn)表格）。
最近，充電機(jī)充電電路充電機(jī)設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)正在通過(guò)一定數(shù)量的瞬間充電機(jī)充電電壓抑制器（TVS）器件增加充電機(jī)保護(hù)。一些例子包括固狀器件（二極管）、金屬氧化物變阻器（MOV）、可控硅整流器、其他可變充電機(jī)充電電壓的材料（新聚合物器件）、氣體充電機(jī)管和簡(jiǎn)單的火花隙。
這類器件被放置在輸入端和地之間。當(dāng)輸入充電機(jī)充電電壓達(dá)到引起它們“開(kāi)路”或?qū)ǖ乃綍r(shí)，它們能迅速把阻抗降低。理想地，輸入威脅被部分地反射回去，而平衡被部分地通過(guò)導(dǎo)通的TVS器件分流到地上。所以，在充電機(jī)充電電路中只有更小比例的威脅能夠達(dá)到敏感的IC。
但是ESD抑制器件也有著其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，隨著新一代高速充電機(jī)充電電路的出現(xiàn)，一些缺點(diǎn)被放大了。例如，TVS必須迅速響應(yīng)到來(lái)的浪涌充電機(jī)充電電壓。浪涌充電機(jī)充電電壓在0.7ns達(dá)到8KV（或更高）峰值時(shí)，TVS器件的觸發(fā)或調(diào)整充電機(jī)充電電壓（與輸入線平行）必須要足夠低以便作為一個(gè)有效的充電機(jī)充電電壓分配器。
一些器件可充電機(jī)保護(hù)充電機(jī)充電電路，但在僅幾次電流脈沖和/或陷入進(jìn)入低阻（短路）狀態(tài)后就老化了，形成充電機(jī)充電電路到地的大電電流通道。這點(diǎn)對(duì)由電池驅(qū)動(dòng)的器件來(lái)說(shuō)是致命的。
每個(gè)器件有其自身的差異。氣體充電機(jī)放電管可通過(guò)大電流，但是響應(yīng)速度很慢。它們也會(huì)老化且不能恢復(fù)。MOV能為高速充電機(jī)充電電路提供相對(duì)緩慢的導(dǎo)通響應(yīng)。硅二極管的觸發(fā)響應(yīng)速度非常快，導(dǎo)通充電機(jī)充電電壓低，但它們像MOVS和其他器件一樣，電容比較高，從而影響高速信號(hào)。
頻率越高，電容效應(yīng)就越大。全新的ESD變壓器件是當(dāng)前僅有能夠提供極低電容和非常低關(guān)斷漏電流的產(chǎn)品。此外，在多次脈沖之后它們能自我恢復(fù)。
現(xiàn)在考慮成本因素。充電機(jī)設(shè)計(jì)工程師盡可能地把非主要器件的成本降到最低。由于供大于求，二極管的價(jià)格一直以來(lái)都很低。一些新的高頻聚合物器件的價(jià)格也十分有競(jìng)爭(zhēng)力。
過(guò)去幾個(gè)主要的充電機(jī)設(shè)計(jì)因素簡(jiǎn)化了ESD抑制器問(wèn)題。工作充電機(jī)充電電壓更高、速度更慢、更魯棒的IC對(duì)浪涌充電機(jī)充電電壓不那么敏感。更低的工作頻率也意味著充電機(jī)保護(hù)速度不那么重要。同時(shí)，阻抗更高線路和引腳元件的充電機(jī)充電電路、金屬更多的封裝以及更少的外部節(jié)點(diǎn)，也使事情變得更加簡(jiǎn)單。
但是充電機(jī)行業(yè)已發(fā)生變化。消費(fèi)電信行業(yè)在發(fā)生爆炸式發(fā)展，出現(xiàn)了更多的手持設(shè)備。器件的工作頻率已經(jīng)從幾kHz上升到GHz，從而使用于ESD充電機(jī)保護(hù) 的高容量無(wú)源器件帶來(lái)充電機(jī)設(shè)計(jì)失真問(wèn)題。此外，芯片工作充電機(jī)充電電壓正在降低，有助于極大提高對(duì)任和高能量瞬態(tài)（固定結(jié)點(diǎn)的加熱/融化）響應(yīng)的靈敏度。同時(shí)，新型高頻 數(shù)碼使用器件要求關(guān)斷漏電流非常低，從而降低噪聲。
在低成本的生產(chǎn)環(huán)境中，對(duì)于所有的充電機(jī)充電電路元件來(lái)說(shuō)降低成本是主要目標(biāo)。因此，有效的ESD抑制器應(yīng)為充電機(jī)設(shè)計(jì)工程師提供下列主要的好處和特點(diǎn)（未必按重要性排列）：
具有成本效益；
充電機(jī)保護(hù)新型消費(fèi)充電機(jī)的音頻和視頻I/O線路以及RF連接端口，而無(wú)需犧牲性能；
充電機(jī)保護(hù)新型通信連接硬件；
在很廣的工作頻率范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的器件特性；
在工作頻率為數(shù)GHz的超寬帶充電機(jī)充電電路中采用1pF以下的電容；
在關(guān)狀態(tài)條件下漏電流最小，以減小噪音；
降低由ESD抑制器元件引起的工作充電機(jī)充電電路信號(hào)失真和減衰；
為提供有效充電機(jī)保護(hù)，觸發(fā)和箝位特性要與充電機(jī)充電電路器件要求一致；
具有所需的裝配特性、外形因子和PCB封裝，便于用在高速自動(dòng)裝配生產(chǎn)線上；
在各種可選擇的器件中，最好是在無(wú)需改變充電機(jī)充電電路板的情況下具有高互換性；
在產(chǎn)品使用壽命期間可靠性高。
充電機(jī)電路布局指南
不管選擇怎樣的TVS器件，它們?cè)诔潆姍C(jī)充電電路板上的充電機(jī)電路布局非常重要。TVS充電機(jī)電路布局前的導(dǎo)線長(zhǎng)度應(yīng)該減到最小，因?yàn)榭焖伲?.7ns）ESD脈沖可能產(chǎn)生導(dǎo)致TVS充電機(jī)保護(hù)能力下降的額外充電機(jī)充電電壓。
另外，快速ESD脈沖可能在充電機(jī)充電電路板上相鄰（平行）導(dǎo)線間產(chǎn)生感應(yīng)充電機(jī)充電電壓。如果上述情況發(fā)生，由于將不會(huì)得到充電機(jī)保護(hù)，因?yàn)楦袘?yīng)充電機(jī)充電電壓路徑將成為另一條讓浪涌 到達(dá)IC的路徑。因此，被充電機(jī)保護(hù)的輸入線不應(yīng)該被放置在其它單獨(dú)、未受充電機(jī)保護(hù)的走線旁邊。推薦的ESD抑制器件PCB充電機(jī)電路布局方案應(yīng)該是：放置在被充電機(jī)保護(hù)的IC之 前，但盡量與連接器/觸點(diǎn)PCB側(cè)盡量近這； 放置在與信號(hào)線串聯(lián)任何電阻之前； 放置在包含保險(xiǎn)絲在內(nèi)的過(guò)濾或調(diào)節(jié)器件之前； 放置在IC之前的其他可能有ESD的地方。
由于業(yè)界對(duì)在高頻充電機(jī)充電電路中采用ESD抑制越來(lái)越感興趣，所以已對(duì)消費(fèi)充電機(jī)領(lǐng)域中的一些大型器件進(jìn)行了研究。對(duì)比數(shù)據(jù)表明，盡管低成本的硅二極管（甚至變阻器）的觸發(fā)/箝位充電機(jī)充電電壓非常低，但它們的高頻容量和漏電流無(wú)法滿足不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用需求。
另一個(gè)重要要求是ESD抑制器對(duì)充電機(jī)充電電路信號(hào)特性的影響最小。對(duì)聚合物ESD抑制器的測(cè)量表明，頻率高達(dá)6GHz時(shí)的衰減小于0.2dB，這樣它們對(duì)充電機(jī)充電電路幾乎沒(méi)有影響。
另外，商業(yè)化產(chǎn)品要求在所有不同的硬件接口位置都要有ESD浪涌充電機(jī)保護(hù)。例如，一些新型電腦和更高端的消費(fèi)充電機(jī)可能會(huì)如下這些互連器件的大部分或者全 部：以太網(wǎng)、USB1.1/USB2.0、IEEE-1394/1394b、音頻/視頻/RF以及傳統(tǒng)的RS-232、RJ-11等端口等的audio /video/RF端口。所有傳統(tǒng)的充電機(jī)保護(hù)器件都已經(jīng)不同程度地得以成功應(yīng)用。但是，如今不斷增長(zhǎng)的工作頻率為超低電容器件（如聚合物抑制器）提出了需求 （圖2a）。
USB 2.0 協(xié)議具有00 Mbps的快速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率。因此，當(dāng)采用具有SurgX技術(shù)（圖 2b）的超低電容聚合物器件進(jìn)行充電機(jī)保護(hù)時(shí)，一個(gè)配備了USB 2.0功能的器件將具有最佳性能。這將比使用齊納二極管或多層變阻器時(shí)產(chǎn)生更少的數(shù)據(jù)失真。
另外，許多新型消費(fèi)充電機(jī)器件能執(zhí)行快速的IEEE-1394/1394b（Fireware）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議。這種非常高的數(shù)據(jù)速率（1600 Mbps，1394b）要求低電容ESD抑制器，例如聚合物浪涌器件（圖 2c）。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，聚合物ESD抑制器帶來(lái)的信號(hào)失真比硅二極管器件充電機(jī)保護(hù)Firewire端口產(chǎn)生的更少（圖 3）。
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