如何使高速数据接口和电信设备免受ESD与过载危害
2009-04-13 10:27:01
来源：《半导体器件应用》2009年4月刊
不管是设计手机还是工业电信系统，电子制造商要实现可靠的系统操作，降低产品的返修或退货比例，保护那些提供系统功能性的复杂 IC 非常重要。此外，在全球化时代，电子系统制造商的产品很可能面对多个国家或地区乃至全球市场，可能需要符合不同的国际性系统级保护规范标准，这对系统制造商所具备的专业经验也带来了挑战。
针对电子系统制造商所面临的这些挑战，作为全球首选的高性能电路保护解决方案供应商，安森美半导体设立了专门的“保护和控制”业务部门，提供极宽范围的电路保护器件，覆盖从便携消费产品（手机）、计算机外设（硬盘驱动器）、电信和网络设备、汽车电子和工业等应用领域，既能提供针对低能量的 ESD 保护，也能提供针对高能量瞬态浪涌事件的晶闸管浪涌保护器件（TSPD）保护。此外，安森美半导体还积极帮助客户解决他们所面临的过压保护难题，在中国上海设立美国之外第一家、也是全球第二家的电路保护应用测试实验室，凭借经验丰富的技术专家和全套一流设备，帮助客户在将产品送交相关机构进行认证之前就对这些产品在遵从各种国际电路保护规范标准方面进行测试，并建议电路保护解决方案。
业界领先的低电容、高钳位 ESD 保护器件
随着消费者对手机、MP3 播放器、便携式媒体播放器等便携电子产品的功能性提出更高的要求，这些产品的 I/O 端口越来越多。以手机为例，键区、扬声器、SIM 卡、电池接头、音量键、语音键和充电器接口等都可能成为潜在的 ESD 进入点。
为了应对 ESD 给芯片所可能带来的潜在损伤，业界常用的做法是在敏感的 CMOS 芯片附近施加外围的 ESD 保护元件。外围的 ESD 保护元件将较高的 ESD 电压在短时间内钳位至较低的电压，从而确保氧化物击穿电压不会被超过。具体的做法就是在电子系统的连接器或端口处放置 ESD 保护元件，使得电流流经保护元件，且不流经敏感元件，以维持敏感元件的低电压，使其免受 ESD 应力影响，进而有效控制 ESD 事件的发生。
在 ESD 保护元件的选择方面，目前常用的 ESD 保护元件有压敏电阻、聚合物和瞬态电压抑制器（TVS）二极管。聚合物和陶瓷压敏电阻等外保护技术提供低电容，但它们的高 ESD 钳位电压限制了其保护极敏感 IC 免受 ESD 损伤的能力。相比较而言，TVS 元件，特别是安森美半导体的 TVS 元件具有极低的钳位电压，且在多重应力条件下仍能维持优异性能，是一种更为理想的 ESD 保护元件。
安森美半导体近期更推出新的 ESD 保护平台 ESD9L，使用了突破性的工艺技术（其结构图如图 1 所示），将超低电容 PIN 二极管和大功率 TVS 二极管集成在单个裸片上，能够用作高性能片外 ESD 保护解决方案。值得注意的是，ESD9L 集成了 3 个元件，为正向和反向 ESD 冲击提供电路保护，且客户仍只须将其用作单个元件。
这新的集成型 ESD 保护技术平台既保留了传统硅 TVS 二极管技术的卓越钳位和低泄漏性能，又将电容从50pF 大幅降低至 0.5pF。0.5pF 的总电容使 ESD9L 适用于USB2.0 高速（480Mbps）和高清多媒体接口（HDMI）（1.65Gbps）等高速应用。根据 IEC61000-4-2 的标准，ESD9L 将输入的 15 kV ESD 波形在数纳秒（ns）内迅速钳位至不到 7V。这钳位电压性能领先业界，为最敏感的 IC 确保提供保护。此外，ESD9L 还维持了极小的裸片尺寸，使其能够适合尺寸仅为 1.0 mm×0.6 mm×0.4mm 的 SOD-923 封装。这种超小单线 ESD 保护封装为设计人员提供极大的尺寸灵活性。超小型封装加上领先的超低电容和极低钳位电压，使 ESD9L 成为手机、MP3 播放器、PDA 和数码相机等空间受限型产品的高速应用首选解决方案。
与水平最接近的竞争对手的硅 ESD 保护器件相比，安森美半导体的 ESD9L 能在更短的时间内将 ESD 电压钳位至更低的水平（如图 2 所示），体现出较大的性能优势，在高速数据应用中不仅能够很好地提供 ESD 保护，同时还能保持高速数据信号的数据完整性。
总的来看，按照 TVS 电容与传输速率的不同，安森美半导体将便携应用的 ESD 保护元件市场划分为三个区域。第一是标准 ESD 保护，满足大功率（高于 100 W）、最低钳位电压要求，适用于键区、按钮、电池接头、充电器接口、旁键等的保护，TVS 电容在 1，000pF 至 100pF 之间；第二是高速 ESD 保护，要求数据传输率更快、低电容，应用于 USB1.1、USB2.0FS、FM 天线、SIM 卡和音频线路等，TVS 电容在 40pF至 5pF；第三个是超高速 ESD 保护，如 USB2.0HS（低于1pF）、HDMI、RF 天线等，TVS 电容在 5pF 以下，电容值与钳位相反。 针对这些应用领域，安森美半导体都能提供客户所需的硅 ESD 保护器件，满足客户对不同性能等级的需求。
具有大浪涌额定能力的晶闸管浪涌保护器件(TSPD)系列
随着消费者对更高网络带宽以及对视频和集成语音、数据的业务需求的增长，全球电信产业在大力推动着 FTTx（光纤到家庭、路边、建筑物等）、数字环路载波（DLC）、数字用户线路接入复用器（DSLAM）、千兆位无源光网络（GPON）、ADSL2+ 及 VDSL 等业务的部署。除了位于中心局（CO）的设备，业界也需要注意远离中心局的边缘网络设备，后者往往也有着苛刻的保护要求。
对于这些设备而言，它们可能受到三类过载的影响。这三类过载状况包括：
静电放电: 普通人对此最为熟悉，如在干燥天气接触汽车时就可能遇到，这些属于低功率浪涌。这种情况可通过持续时间短（数纳秒）的波形来定义。
闪电浪涌: 这些属于大功率浪涌，雷电期间电力线和电信线路所感应的极高电压会引发这种后果。这种情况可采用中等持续时间（数十微秒）的波形来定义。
电力故障: 由于电信线路和电力线可能物理接近，电话线上能够感应交流电压。这种情况可用 50Hz 或 60Hz（可长达 15 分钟）波形来定义。
需要指出的是，浪涌等级不仅跟国家有关，还跟设备所在地点有关。不管是中心局的设备，还是用户端设备，都需要进行保护，且每个国家或地区都可能有自己的保护标准。
面向这些状况进行过压保护的器件包括气体放电管（GDT）、金属氧化物压敏电阻（MOV）、瞬态电压抑制器（TVS）和晶闸管浪涌保护器件（TSPD）等。这些器件各有特点，但 TSPD 综合了导通速度快、电压精度高和电流能力高等优点，且不存在功率限制，对瞬时浪涌提供极佳的保护。
安森美半导体提供一系列适合电信应用的 TSPD，如用于线卡保护的 TVS 二极管和保护电信应用中各种敏感电子电路的 TSPD 等。安森美半导体的 NPxx 系列的 44 款器件为中心局（CO）、接入端和用户前端设备中的电信电路提供过压保护，可防止闪电、感应和电力线交叉等情况给敏感电路带来的潜在过压损伤。该系列器件的应用包括调制解调器（MODEM）、住宅网关、数字用户线路接入复用器（DSLAM）和集成语音数据（IVD）卡。
这 44 款新的 NPxxx 器件是大浪涌电流 TSPD，保护电压范围从 64V 到 350V之间，提供额定浪涌电流为50A、80A 和 100A 等不同版本。这些器件限制电压，并将浪涌电流转移至地。它们属于双向保护器件，因此能够在一个封装中提供两个器件的功能，节省出电路板弥足珍贵的空间。基本上，这些器件在过压发生时进行“消弧”将可能带来潜在损伤的电能转移出敏感电路或器件。一旦瞬态过压状况过去，这些器件就会恢复到它们正常的“关闭”或透明状态，并且无形地在电路正常工作中发挥功能。这些 TSPD 没有耗损特性，在快速瞬态情况下提供稳定的性能特征，确保设备可靠持续地操作。
这些器件同时提供受业界青睐的 5.40mm×3.5mm DO-214AA 表面贴装封装（SMB）和强韧的 DO-15 轴向引线封装，可靠且经济。用作次级保护电路的一部分时，这些器件将电能转移出受保护电路来提供过压保护。NPxx 器件获 UL497A 认证，在电子应用中采用这些器件就能够符合 GR-1089-CORE、ITU K.20/K.21/K.45、IEC 61000-4-5、IEC 60950、YD/T 993、YD/T 950 和 YD/T 1082 等不同规范的要求。
强大的电路保护技术支持和规范标准遵从性测试
安森美半导体除提供高、低能量的过压电路保护解决方案外，还为客户提供强大的技术支持，帮助客户理解产品在实际环境和产品测试环境两方面的电气原理经验，并指导系统设计人员在选择保护解决方案时做到最好的技术指标兼顾成本考虑。
设在中国上海的新电路保护应用测试实验室主要为手机和 DSL 调制解调器等便携消费产品和电信设备提供过压保护解决方案。这配备了最新设备的实验室设有经验丰富的安森美半导体工程师，他们深切了解最新的电路保护应用相关的规范要求。他们在 ESD 和大功率浪涌瞬态问题上的专门技术和知识，将帮助客户在他们正式向相关机构申请认证之前，为其应用的电路保护作更好的评估。
安森美半导体的实验室能进行多种ESD和浪涌事件测试来评估电子元件、子系统或终端产品，确定它们容易受故障和损伤的影响程度。有关测试元件和产品性能的测试结果将写作报告，反馈给客户，并就如何更好地符合规范标准提出意见和建议。
安森美半导体保护产品业务总监 Gary Straker 说：“在亚太区内新设这家电路保护应用测试实验室让安森美半导体能够更进一步地提供多种测试和咨询服务给客户。这实验室将为那些需要处理电路保护应用相关规范标准的客户提供帮助。亚太地区的客户将因我们所提供的测试服务能力而节省时间和金钱，最终将使他们能更快地把产品面市。” （下转P44）
针对电子系统制造商所面临的这些挑战，作为全球首选的高性能电路保护解决方案供应商，安森美半导体设立了专门的“保护和控制”业务部门，提供极宽范围的电路保护器件，覆盖从便携消费产品（手机）、计算机外设（硬盘驱动器）、电信和网络设备、汽车电子和工业等应用领域，既能提供针对低能量的 ESD 保护，也能提供针对高能量瞬态浪涌事件的晶闸管浪涌保护器件（TSPD）保护。此外，安森美半导体还积极帮助客户解决他们所面临的过压保护难题，在中国上海设立美国之外第一家、也是全球第二家的电路保护应用测试实验室，凭借经验丰富的技术专家和全套一流设备，帮助客户在将产品送交相关机构进行认证之前就对这些产品在遵从各种国际电路保护规范标准方面进行测试，并建议电路保护解决方案。
业界领先的低电容、高钳位 ESD 保护器件
随着消费者对手机、MP3 播放器、便携式媒体播放器等便携电子产品的功能性提出更高的要求，这些产品的 I/O 端口越来越多。以手机为例，键区、扬声器、SIM 卡、电池接头、音量键、语音键和充电器接口等都可能成为潜在的 ESD 进入点。
为了应对 ESD 给芯片所可能带来的潜在损伤，业界常用的做法是在敏感的 CMOS 芯片附近施加外围的 ESD 保护元件。外围的 ESD 保护元件将较高的 ESD 电压在短时间内钳位至较低的电压，从而确保氧化物击穿电压不会被超过。具体的做法就是在电子系统的连接器或端口处放置 ESD 保护元件，使得电流流经保护元件，且不流经敏感元件，以维持敏感元件的低电压，使其免受 ESD 应力影响，进而有效控制 ESD 事件的发生。
在 ESD 保护元件的选择方面，目前常用的 ESD 保护元件有压敏电阻、聚合物和瞬态电压抑制器（TVS）二极管。聚合物和陶瓷压敏电阻等外保护技术提供低电容，但它们的高 ESD 钳位电压限制了其保护极敏感 IC 免受 ESD 损伤的能力。相比较而言，TVS 元件，特别是安森美半导体的 TVS 元件具有极低的钳位电压，且在多重应力条件下仍能维持优异性能，是一种更为理想的 ESD 保护元件。
安森美半导体近期更推出新的 ESD 保护平台 ESD9L，使用了突破性的工艺技术（其结构图如图 1 所示），将超低电容 PIN 二极管和大功率 TVS 二极管集成在单个裸片上，能够用作高性能片外 ESD 保护解决方案。值得注意的是，ESD9L 集成了 3 个元件，为正向和反向 ESD 冲击提供电路保护，且客户仍只须将其用作单个元件。
这新的集成型 ESD 保护技术平台既保留了传统硅 TVS 二极管技术的卓越钳位和低泄漏性能，又将电容从50pF 大幅降低至 0.5pF。0.5pF 的总电容使 ESD9L 适用于USB2.0 高速（480Mbps）和高清多媒体接口（HDMI）（1.65Gbps）等高速应用。根据 IEC61000-4-2 的标准，ESD9L 将输入的 15 kV ESD 波形在数纳秒（ns）内迅速钳位至不到 7V。这钳位电压性能领先业界，为最敏感的 IC 确保提供保护。此外，ESD9L 还维持了极小的裸片尺寸，使其能够适合尺寸仅为 1.0 mm×0.6 mm×0.4mm 的 SOD-923 封装。这种超小单线 ESD 保护封装为设计人员提供极大的尺寸灵活性。超小型封装加上领先的超低电容和极低钳位电压，使 ESD9L 成为手机、MP3 播放器、PDA 和数码相机等空间受限型产品的高速应用首选解决方案。
与水平最接近的竞争对手的硅 ESD 保护器件相比，安森美半导体的 ESD9L 能在更短的时间内将 ESD 电压钳位至更低的水平（如图 2 所示），体现出较大的性能优势，在高速数据应用中不仅能够很好地提供 ESD 保护，同时还能保持高速数据信号的数据完整性。
总的来看，按照 TVS 电容与传输速率的不同，安森美半导体将便携应用的 ESD 保护元件市场划分为三个区域。第一是标准 ESD 保护，满足大功率（高于 100 W）、最低钳位电压要求，适用于键区、按钮、电池接头、充电器接口、旁键等的保护，TVS 电容在 1，000pF 至 100pF 之间；第二是高速 ESD 保护，要求数据传输率更快、低电容，应用于 USB1.1、USB2.0FS、FM 天线、SIM 卡和音频线路等，TVS 电容在 40pF至 5pF；第三个是超高速 ESD 保护，如 USB2.0HS（低于1pF）、HDMI、RF 天线等，TVS 电容在 5pF 以下，电容值与钳位相反。 针对这些应用领域，安森美半导体都能提供客户所需的硅 ESD 保护器件，满足客户对不同性能等级的需求。
具有大浪涌额定能力的晶闸管浪涌保护器件(TSPD)系列
随着消费者对更高网络带宽以及对视频和集成语音、数据的业务需求的增长，全球电信产业在大力推动着 FTTx（光纤到家庭、路边、建筑物等）、数字环路载波（DLC）、数字用户线路接入复用器（DSLAM）、千兆位无源光网络（GPON）、ADSL2+ 及 VDSL 等业务的部署。除了位于中心局（CO）的设备，业界也需要注意远离中心局的边缘网络设备，后者往往也有着苛刻的保护要求。
对于这些设备而言，它们可能受到三类过载的影响。这三类过载状况包括：
静电放电: 普通人对此最为熟悉，如在干燥天气接触汽车时就可能遇到，这些属于低功率浪涌。这种情况可通过持续时间短（数纳秒）的波形来定义。
闪电浪涌: 这些属于大功率浪涌，雷电期间电力线和电信线路所感应的极高电压会引发这种后果。这种情况可采用中等持续时间（数十微秒）的波形来定义。
电力故障: 由于电信线路和电力线可能物理接近，电话线上能够感应交流电压。这种情况可用 50Hz 或 60Hz（可长达 15 分钟）波形来定义。
需要指出的是，浪涌等级不仅跟国家有关，还跟设备所在地点有关。不管是中心局的设备，还是用户端设备，都需要进行保护，且每个国家或地区都可能有自己的保护标准。
面向这些状况进行过压保护的器件包括气体放电管（GDT）、金属氧化物压敏电阻（MOV）、瞬态电压抑制器（TVS）和晶闸管浪涌保护器件（TSPD）等。这些器件各有特点，但 TSPD 综合了导通速度快、电压精度高和电流能力高等优点，且不存在功率限制，对瞬时浪涌提供极佳的保护。
安森美半导体提供一系列适合电信应用的 TSPD，如用于线卡保护的 TVS 二极管和保护电信应用中各种敏感电子电路的 TSPD 等。安森美半导体的 NPxx 系列的 44 款器件为中心局（CO）、接入端和用户前端设备中的电信电路提供过压保护，可防止闪电、感应和电力线交叉等情况给敏感电路带来的潜在过压损伤。该系列器件的应用包括调制解调器（MODEM）、住宅网关、数字用户线路接入复用器（DSLAM）和集成语音数据（IVD）卡。
这 44 款新的 NPxxx 器件是大浪涌电流 TSPD，保护电压范围从 64V 到 350V之间，提供额定浪涌电流为50A、80A 和 100A 等不同版本。这些器件限制电压，并将浪涌电流转移至地。它们属于双向保护器件，因此能够在一个封装中提供两个器件的功能，节省出电路板弥足珍贵的空间。基本上，这些器件在过压发生时进行“消弧”将可能带来潜在损伤的电能转移出敏感电路或器件。一旦瞬态过压状况过去，这些器件就会恢复到它们正常的“关闭”或透明状态，并且无形地在电路正常工作中发挥功能。这些 TSPD 没有耗损特性，在快速瞬态情况下提供稳定的性能特征，确保设备可靠持续地操作。
这些器件同时提供受业界青睐的 5.40mm×3.5mm DO-214AA 表面贴装封装（SMB）和强韧的 DO-15 轴向引线封装，可靠且经济。用作次级保护电路的一部分时，这些器件将电能转移出受保护电路来提供过压保护。NPxx 器件获 UL497A 认证，在电子应用中采用这些器件就能够符合 GR-1089-CORE、ITU K.20/K.21/K.45、IEC 61000-4-5、IEC 60950、YD/T 993、YD/T 950 和 YD/T 1082 等不同规范的要求。
强大的电路保护技术支持和规范标准遵从性测试
安森美半导体除提供高、低能量的过压电路保护解决方案外，还为客户提供强大的技术支持，帮助客户理解产品在实际环境和产品测试环境两方面的电气原理经验，并指导系统设计人员在选择保护解决方案时做到最好的技术指标兼顾成本考虑。
设在中国上海的新电路保护应用测试实验室主要为手机和 DSL 调制解调器等便携消费产品和电信设备提供过压保护解决方案。这配备了最新设备的实验室设有经验丰富的安森美半导体工程师，他们深切了解最新的电路保护应用相关的规范要求。他们在 ESD 和大功率浪涌瞬态问题上的专门技术和知识，将帮助客户在他们正式向相关机构申请认证之前，为其应用的电路保护作更好的评估。
安森美半导体的实验室能进行多种ESD和浪涌事件测试来评估电子元件、子系统或终端产品，确定它们容易受故障和损伤的影响程度。有关测试元件和产品性能的测试结果将写作报告，反馈给客户，并就如何更好地符合规范标准提出意见和建议。
安森美半导体保护产品业务总监 Gary Straker 说：“在亚太区内新设这家电路保护应用测试实验室让安森美半导体能够更进一步地提供多种测试和咨询服务给客户。这实验室将为那些需要处理电路保护应用相关规范标准的客户提供帮助。亚太地区的客户将因我们所提供的测试服务能力而节省时间和金钱，最终将使他们能更快地把产品面市。” （下转P44）
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