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浅谈保护敏感IC元件

  为了成本,集成度和性能等指标,采用高速串行数据接口,并且减小半导体制造布局是非常有必要的。但这种较小的器件更容易受到较低电压和电流所造成的静电损伤。另外,用于高速数据线上的低电容ESD保护器件在电容减小的同时,动态电阻会变大,这会使它们保护系统敏感IC元件的能力变差。

  对于传统的ESD保护方案,强大的静电放电保护与良好的信号完整性是一对矛盾。有一些ASIC根本无法在保证信号完整性的同时,有效地进行ESD保护。

  数据表说明书

  系统设计者通常用器件数据表上标注的ESD等级来比较其ESD保护能力。然而这些等级仅仅适用于单独的ESD器件,而不代表它们所在的工作系统。

  一个ESD等级标注为8kV的设备,可能会使2kV或者更低的系统级测试失败。有时,一个标注为15kV的器件对系统提供的保护可能还不如一个8kV的器件。大多数系统设计者用来比较ESD器件的主要参数根本无法显示实际的系统层次的性能。

  系统IC常常会因为过电压、过电流或者同时受到两者的作用而受损。很多系统设计者都知道连续电压会使IC遭到损伤,却没有意识到大电流往往是ESD损伤的真正原因。

  ESD保护器件可以将大部分电流引入地下,并且将作用于ASIC之上的电压限制在击穿电压之内。理论上,我们可以通过比较它们的钳位电压和剩余电流(未被ESD器件分流的电流),来比较ESD器件的性能。但是,实际情况却远不是如此。

  钳位电压

  在实际测试中,厂家所发布的钳位电压是在给器件施加一个上升时间为 8μs,持续20μs的脉冲的情况下确定的。

  大多数产品数据表所示的钳位电压都是通过对器件施加1A脉冲确定的,有时也会采用电流强度更高的脉冲。这种脉冲可重复获得,并易于测量,因此被广泛采用。但不幸的是,这种脉冲并不等价于ESD脉冲。ESD脉冲只有1ns的上升时间,持续60ns。除此之外,IEC 61000-4-2第4级电击中,峰值电流为30A的钳位电压和在1A脉冲作用下也有很大区别。

  采用标准1A脉冲,大多数半导体ESD保护二极管的钳位电压一般都会标注在8~15V之间。但在8kV的IEC 61000-4-2标准测试中,这些二极管的峰值钳位电压则会达到50~100V,这是由二极管的其他特征,如动态电阻值所决定的。

  有一些ESD制造商还会提供ESD脉冲波形图,但是这同样很容易让人误解。例如,制造商经常采用衰减器来保护测试仪器不受损伤。可是数据表中的波形图并没有将衰减器的影响包括在内,这会使标注的钳位电压存在5~10倍的误差。

  虽然不能仅仅通过大多数数据表上提供的钳位电压来比较ESD的性能,但是,通过仔细阅读分析它,我们却可以了解器件的相对性能。

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