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第四期
便携通信器件的ESD保护
便携器件总是受到静电放电(ESD)的损坏。一个值得信赖的操作员即使在正常的设备操作中也可能携带有危害的电荷。过去，ESD保护常常是根据需要，事后补充到电路设计中。然而，由于半导体越来越复杂，亚微米工艺和非常细小的线宽对瞬态过压的影响也越来越敏感。
现在，一些最敏感的元件可能被低至20V的ESD电压损坏，过去所采用的传统保护方法，如火花放电器、齐纳二极管、RC网络和箝位二极管已经不再适用，因为它们会产生安全假象，甚至干扰电路的正常操作。而且，欧共体的EN61000-4-2等工业标准为所有电子产品均设定了严格的抗ESD要求。显然，一个良好的系统设计应该在电路设计的最初阶段就考虑瞬态保护要求。
ESD对便携器件的威胁
两种不导电材料的接触与分离都会引起电子的转移，因而在各物体上产生额外的电荷。当积累的静态电荷向另一个电位较低(相对地)的物体放电时，就产生了ESD。放电量的大小和放电持续时间取决于充电材料的类型和周围的环境等多种因素。所有的便携电子器件，从最基本的到最复杂的，都容易受到ESD的损坏。
规定电子器件抗ESD要求的工业标准现在已经出台。人体是很好的静电电荷储存体。事实上，使用最广泛的抗ESD标准---IEC1000-4-2，采用了人体模型来定义ESD测试电压，其大小为2kV到15kV(空气放电)。峰值电流定义为高达30A，在60ns的持续时间里，放电波型在1ns内达到峰值。该脉冲包含几百微焦的总能量，可能损坏敏感的半导体器件。结短路、氧化层击穿或元件金属层的熔化会导致故障。有一点非常重要，即遭ESD损坏的器件可能并不会立即失效。一些器件参数老化会导致设备过早失效。
便携器件的ESD保护
很显然，设计一个可靠的系统，需要一些ESD保护。虽然有几种瞬态保护装置可供选择，但选择时仍应十分谨慎。如果器件选择不当，就不能发挥作用，而且还会干扰电路的正常工作。为了抑制便携系统的瞬态过程，保护装置必须具有以下特性：
1. 极快的响应时间 2. 低的箝位电压和操作电压 3. 能够处理高峰值ESD电流 4. 能承受ESD的重复作用而不受破坏
5. 尺寸小 6. 反向漏电流小
瞬态电压抑制器(TVS)二极管满足上述所有要求，而且可以有效地抑制闪电(lightning)和ESD。TVS是一种固态二极管，专门用于防止ESD瞬态电压破坏敏感的半导体器件。
对低至5V的数据和电源电压，采用一个具有p-n结的器件。TVS二极管的瞬态功率和瞬态电流性能与结的面积成正比。该二极管的结具有较大的截面积，可以处理闪电和ESD所引起的高瞬态电流。
当电路的工作电压低于5V时，由于漏电流和结电容较高，传统的p-n结技术不再实用。TVS二极管通过对设计进行改进，提供了一种器件，能够保护工作电压低于5V的电路，而增加的漏电流和电容却很小。例如，Semtech公司的SLVU2.8器件采用复杂的4层结构来获得低工作电压和箝位电压，在电压低至
2.8V时，可提供良好的漏电流和电容性能。
处理瞬态现象的最好办法是使瞬态电流从敏感的半导体器件中分流出来。TVS二极管是穿过被保护线路并连的。当瞬态电压超过线路的正常工作电压时，二极管的p-n结就会发生雪崩，为瞬态电流提供一条低阻抗通路。结果，瞬态电流从被保护电路中分流到二极管中。
被保护电路的电压被限制在二极管的箝位电压范围内。瞬态过程结束后，器件自动回到高阻抗状态。只要这些器件在规定的电压范围内工作，就不会被损坏。建议便携系统的瞬态保护装置安装在设备出口处的电源线和信号线接口上。
元件的正确选择，取决于需要保护的线路数、可用的电路板空间、以及被保护电路的电气特性。
TVS
二极管可以采用各种表面安装封装和配置。在便携应用中，电路板空间非常宝贵，TVS阵列采用6引脚SOT-23封装，可以保护5条数据和I/O线(图
1)。随着电子器件的不断缩小，可用的电路板空间变得越发重要，因此，TVS阵列系列现在以更小的SC-70封装提供(图2)。一些器件将TVS二极管和低通RC网络滤波器结合起来，用于EMI和ESD保护。它们特别适用于蜂窝电话音频端口和RF通信设备。
在选择TVS二极管时，一定要将器件参数与电路状况进行比较。第一步是确定器件的正确工作电压(VRWM)。选择工作电压大于或等于电路正常工作电压的器件。一般情况下，将工作电压规定为便于使用的操作电压，如5V、12V和15V。接下来，选择一种能够耗散预计的瞬态峰值脉冲电流(Ipp)的器件。器件的峰值脉冲功率是瞬态波形和脉冲持续时间的函数，因此，对于一给定瞬态波形的器件，TVS二极管数据表规定了其峰值脉冲性能。
便携系统中的器件通常具有8/20μs或10/1000μs的双指数波形(double exponential
waveform)。最新的产品还规定了器件的ESD抑制能力。根据IEC
1000-4-2标准，一个良好的器件应该能够处理最低15kV的空气放电和8kV的接触放电。最后，在脉冲波形相同的情况下，将器件的箝位电压与被保护器件的最大电压处理能力进行比较。
在高速接口应用中，根据情况给出TVS二极管电容。电容过大会引起信号衰减甚至反射。传统TVS二极管的电容是依赖于电压的。结电容随着器件工作电压的下降而升高。例如，一个5V
ESD保护器件的结电容高达400pF(VR=0V，f=1MHz)。很显然，这在高速应用，如GSM编程接脚或通用串行总线(USB)端口的保护中，就没什么用了。
一种减小电容的有效方法是采用轨到轨拓扑结构(rail-to-rail
topology)。在这种结构中，低电容换向二极管(steering diode)连接在被保护的导线之间或两个固定参考电压之间，如VCC和地之间。然后，在两个参考电压之间连接一个标准TVS二极管，保护下游元件，并使电源电压最大值(supply
rail)保持在器件箝位电压的极限之内(图3)
图3：轨对轨拓扑结构可以减小电容，但不适于容易受ESD作用的场合。
由于这类保护通常要采用分立元件，因此并不可取。首先，分立整流器不适用于ESD和闪电所产生的高瞬态电流。当电流密度较高时，小的结面积会导致不良的正向电压特性(图4)。这样就会损坏被保护元件甚至保护二极管。第二，分立元件间的连接增加了瞬态电流传导通路的寄生电感，降低了保护电路的整体效率。集成化
TVS二极管，如Semtech公司的Rail
Clamp器件，可以消除这些问题。它们可以保护多条高速线路和电源线。集成化设计减少了元件数目，使寄生电感减至最小。
图4：分立整流器不适用于ESD和闪电引起的高瞬态电流场合，因为在高电流密度时，小的结面积会导致正向电压特性不佳。
PCB
布线是抗瞬态设计的一个重要部分，尤其是便携系统设计。保护通路中的寄生电感会产生电压尖峰，并可能超过被保护IC的损坏门限值。这在ESD或EFT这样的快速瞬变中尤其严重。电感负载上的电压与电流的时间变化率成正比(V=L
di/dt)。根据IEC
1000-4-2标准，ESD所产生的瞬变可以在1ns内达到峰值。假设每英寸布线的电感是20nH，且布线长为0.25英寸，则电压尖峰将是一个电压为
50V、电流为10A的脉冲。
必须考虑所有电感通路，包括地线回路、TVS与被保护线之间的通路、以及连接器到TVS器件之间的通路。TVS器件应尽可能靠近连接器，以减少对附近布线的瞬态耦合。辐射还会影响电路板的其它区域，即便与连接器之间没有直接的通路。最后，应避免在电路板边缘或靠近被保护布线的地方布置重要的信号线。
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