电路保护器件保护移动设备避免ESD影响

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移动设备用户之需求日益复杂，使得便携式产品的设计集成了更多的输入/输出(I/O)互连。更高的电流密度和更小的晶体管尺寸，以及用于芯片保护的有限空间，均趋向于增加电子元器件对静电放电(ESD)等瞬态电气过应力事件的敏感性。减少此类瞬态事件的影响，不单有助于防止设备相互“交谈”时导致数据损坏，还可提升总体可靠性。


ESD 基础
      ESD事件是两个具有不同静电电位的物体经由接触或者电离空气放电或火花放电而进行能量转移而引起。材料类型、接触面积、分离速度、相对湿度和其它因素均影响了摩擦充电生成的电荷量。一旦电荷在材料上生成，便成为“静电”电荷，该电荷可从材料上转移，导致ESD事件。
      静电的主要来源大多是绝缘装置，通常是合成材料(比如乙烯基或塑料工作表面、绝缘鞋、经涂层整理的木椅子、胶带、泡沫包装和带有未接地针脚的烙铁)。
       图1所示为典型的ESD特性曲线，为了模拟接触放电事件，ESD生成器施加一个ESD脉冲到测试设备上。这项测试的特性是短上升时间和低于100ns的短脉冲持续时间，表明这是低能量静态脉冲。由于这些来源的静电并非早已分布在其表面或者传导到其它对象，因此有可能产生极高水平的电压。

　　图1. ESD生成器模拟的典型 8KV ESD脉冲

最常见的ESD来源包括：
●带电的人体 – 人体可能由于行走或其它动作而带电，如果来自人体的放电是经由一个金属物件如工具，那么造成的ESD损坏便会特别严重。
●拖过地毯的电缆 – 如果一个带电的电缆插入一个具有任何电荷来源的传导触点，便可能生成一个ESD瞬态。
●搬运聚乙烯袋 –當一个电子设备滑动进入或离开包或管道，便可能生成静电电荷，这是因为设备的外壳和/或金属引线与容器的表面发生了多次接触和分离。
       ESD事件与电子设备运作的环境有关，瞬态环境变化很大，汽车系统、机载或舰载设备、太空系统、工业设备或消费产品之间的差异很大。频繁地使用移动设备，使得用户很可能在连接或断开电缆期间接触I/O连接器针脚。在正常运作条件下，触摸暴露的端口或接口可能导致超过30 kV的放电电压。
        小尺寸半导体器件可能因过多的电压、高电流水平或二者的结合而损坏，高电压水平可能引起栅极氧化层击穿，而过多的电流可能引起结点故障和金属化迹线熔化。


用于高速I/O接口的ESD保护
       随着 IC制造商已经实现更高频率的 I/O互连，他们继续减小晶体管、互连产品，以及器件中二氧化硅(SiO2)绝缘层的最小尺寸，这导致在较低能量水平上发生击穿损坏的可能性越来越大，而且使得ESD保护成为一个主要的设计考虑事项。根据IEC61000-4-2国际标准，大多数电子设备必需满足最小8 kV接触放电电压或15 kV空气放电电压要求，然而，许多半导体器件不可耐受这种电气应力水平，有可能永久损坏。为了提高它们的可靠性，必需在系统中设计采用附加的芯片外保护电路。