安森美半導體–高性能的可攜式應用ESD保護方案

隨著手機等可攜式設備中具備更多的功能，能讓靜電放電(ESD)電壓進入的潛在輸入輸出(I/O)通道愈來愈多，包括鍵盤、按鍵、SIM卡、電池充電、USB介面、FM天線、LCD螢幕、耳機插孔等眾多位置都需要ESD保護。根據電容及數據率的不同，可攜式設備的ESD保護應用領域可分為大功率、高速和極高速等三個類型，其電容分別為大於30 pF、介於1至30 pF之間和小於1 pF，速度越高的應用要求的電容也越低，這是因為高速應用中更需要維持訊號完整性及降低插入損耗。

可攜式設備最有效的ESD保護方法
從保護方法來看，一種可能的選擇是晶片內建ESD保護，但日趨縮小的CMOS晶片已經越來越不足以承受內部2 kV等級ESD保護所需要的面積，故真正有效的ESD保護不能完全整合到CMOS晶片之中。另外，雖然通過在物理電路設計及軟體設計方面下功夫，可以發揮一些作用，但總有部份重要電路較為敏感，很難與外部隔離，故最有效的ESD保護方法還是在可攜式設備的連接器或端口處放置保護元件，將極高的ESD電壓鉗位至較低的電壓，以確保電壓不會超過IC內氧化物的擊穿電壓，保護敏感IC。
在正常工作條件下，外部ESD保護元件應該保持在非動作狀態，同時不會對電子系統的功能造成任何影響，這可以通過維持低電流以及低電容值來達成。而在ESD應力衝擊或者說大電流衝擊條件下，ESD保護元件的第一個要求就是必須能夠正常工作，要有夠低的電阻以便能夠限制受保護點的電壓；其次，必須能夠快速動作，這樣才能使上升時間低於納秒的ESD衝擊上升時間。

外部保護元件比較及其性能測試
常見的外部保護元件有壓敏電阻、聚合物和矽瞬態電壓抑制器(TVS)等，它們所採用的材料分別是金屬氧化物、帶導電粒子的聚合物和矽。壓敏電阻在低電壓時，呈現出高電阻，而在較高電壓時電阻會下降。帶導電粒子的聚合物在正常電壓下電阻相當高，但遭受ESD應力時，導電粒子間的小間隙會成為突波音隙陣列，從而帶來低電阻路徑。TVS則為採用標準與齊納二極體特性設計的矽晶片元件。TVS元件主要針對能夠以低動態電阻承載大電流的要求進行最佳化，由於TVS元件通常採用IC方式生產，因此我們可以看到各種各樣的單向、雙向及以陣列方式排列的單晶片產品。
在這幾種外部保護元件中，TVS元件的大電流導電率極佳，且在重複應力條件下仍能維持優異性能，壓敏電阻或聚合物等其他保護元件使用增多後會出現性能下降的問題並不存在，而且新的ESD元件具有極低的電容，非常適合高速數據線路的ESD保護。而越是高速的應用，越是要求ESD保護元件具有更低的電容及更低的鉗位電壓。
電子系統必須能夠在IEC 61000-4-2標準測試條件下存續。為了對上述幾種外部ESD保護元件進行更加直接的比較，對壓敏電阻、聚合物、安森美半導體矽保護元件及性能最接近的矽競爭元件，首先施以IEC 61000-4-2 ±8 kV ESD接觸放電脈衝，並通過示波器截取其ESD鉗位電壓波形進行比較，可以發現安森美半導體的矽ESD保護元件擁有低很多的鉗位電壓，不僅優於壓敏電阻和聚合物等無源元件，更優於性能最接近的矽競爭元件，參見圖1 。
此外，可攜式設備可能遭受多次的ESD電壓應力，這在臺灣冬季表現得尤為明顯。因為，外部保護元件在多種ESD應力條件的性能尤為重要，直接決定著可攜式產品的可靠性。因此，同樣可以對壓敏電阻、聚合物和矽ESD二極體等保護元件在Tesec直流測試條件下測試，每顆元件都施以總計2,000次的15 kV接觸放電ESD脈衝(正向及負向各1,000次)，每兩次脈衝的時間間隔為0.1秒。表2所示的測試結果顯示，安森美半導體的矽整合ESD保護元件在多重應力條件下仍然維持極佳的性能，而競爭元件不是損壞便是性能退化較嚴重。
安森美半導體高性能ESD外部保護元件概覽
如表1所示，安森美半導體為可攜式設備的大功率、高速和極高速等應用領域均提供一系列的高性能矽ESD保護元件，滿足不同應用需求。其中，安森美半導體的ESD11L、ESD11N、NUP4016(用於極高速應用)，ESD11B、NUP4xxxP5(用於高速應用)更是當今業界領先的產品。
例如，NUP4016具備每條I/O線路0.5 pF的超低電容，非常適用於保護通用串列匯流排(USB) 2.0高速(480 Mbps)和高畫質多媒體介面(HDMI) (1.65 Gbps)等高速介面。ESD11L5.0D將安森美半導體的超低電容技術整合至3針腳封裝中，以0.5 pF電容保護兩條高速數據線路，為設計人員提供保護USB 2.0端口的D+和D-線路的單顆元件解決方案；ESD11L5.0D也能夠連接陰極至陰極，以 0.25 pF電容保護單條雙向線路，非常適用於保護高頻射頻(RF)天線線路。
NUP4016和ESD11L5.0D都能在數納秒時間內將15千伏(kV)輸入ESD波形鉗位至不足8伏(V)，為當今對ESD敏感的IC提供最高保護水準。這些矽元件沒有無源技術的磨損問題，在經過多次突波事件如ESD等後，可靠性和性能都不受影響。
值得一提的，安森美半導體的這些高性能矽保護不僅提供極低電容和極低鉗位電壓，更採用極小的封裝，是需要在超薄封裝中提供優異保護性能的可攜式產品的極佳保護元件。如NUP4016採用極小的1.0 mm x 1.0 mm x 0.4 mm SOT-953封裝保護4條高速數據線路，是現今市場上最薄的高速通訊介面用ESD保護元件。
ESD11L5.0D採用超小型1.0 mm x 0.6 mm x 0.37 mm SOT-1123封裝，與採用SOT-723封裝的市場上同類解決方案相比，佔位面積小50%，厚度低20%，是現今市場上最薄的高速通訊、USB 2.0數據和電源線路和保護用ESD元件。
安森美半導體還規劃提供尺寸小至0.6 mm x 0.3 mm x 0.3 mm的0201 CSP封裝的ESD元件，保護單條線路，每條線路所佔平面面積僅為0.18 mm2。

USB 2.0介面在可攜式設備中的應用範圍非常普及，在用戶的日常使用中也有著極高的使用頻率，故需要為高速的USB介面提供可靠的ESD保護。圖2顯示的是速度達480 Mbps的USB 2.0高速應用在帶識別(ID)線路及不帶ID線路兩種情況下的簡明結構示意圖。
以帶ID線路的圖2 a)為例，應用中需要以電容小於1 pF、小封裝的元件保護 3條極高速數據線路(D+、D-和ID)及1條大功率線路(Vbus)。針對這樣的保護需求，既可以採用離散保護方案，如使用3顆ESD9L加1顆ESD9X，也可以採用整合保護方案，如1顆NUP3115UP或NUP4114UP(有1條線路未連接)。
而在圖2 b)的應用中，需要以電容小於1 pF、小封裝的元件保護2條極高速數據線路及1條大功率線路(Vbus)。針對這樣的保護需求，同樣既可以採用離散保護方案，如使用2顆ESD9L加1顆ESD9X、1顆ESD7L加1顆ESD9X或 1顆ESD11L加1顆ESD9X，也可以使用整合保護方案，如1顆NUP2114UP或1顆NUP4114UP(保護2個USB端口)。
總結：
手機、數位相機等可攜式產品中的眾多位置可能遭受ESD脈衝的影響並損壞其中特徵尺寸越來越小、越來越敏感的IC，進而影響系統的可靠性。最有效的ESD保護方法是在可攜式設備的連接器或端口處放置外部保護元件。測試表明，矽TVS二極體比聚合物和壓敏電阻等無源元件的鉗位性能更優異，而安森美半導體的矽保護元件更是優於性能最接近的競爭元件。安森美半導體身為全球領先的高性能、高效能矽解決方案供應商，為可攜式設備的大功率、高速和極高速應用領域提供豐富的高性能矽保護元件系列，其中不少都是當今業界的領先產品。這些領先產品以極小的封裝提供極低的電容和極低鉗位電壓，非常適合保護USB 2.0高速及HDMI等極高速應用。同時，客戶得益於安森美半導體豐富的矽保護元件系列，能夠為其USB 2.0高速等應用靈活地選擇及搭配安森美半導體的矽保護元件，滿足他們的不同應用需求。