VGA矩阵产品的静电放电保护

    IEC 61000-4-2规定了4个测试强度级别。前两个级别强度较低，适合于具备防静电表面的受控环境中的永久设备。例如，这也许包括电脑服务器，它们位于出入受限的地方，并且有温度和湿度控制。第三个级别针对不受控环境中只受到零星触碰的设备，如台式电脑，操作人员只在工作日为了开机才触碰它。第四级是最高强度级别，针对不受控环境中经常被触碰的设备，比如手机、MP3播放器或笔记本电脑。

    IEC 61000-4-2测试程序同时包含了接触放电和气隙放电。接触放电提供了更一致、可再现性更高的结果。在接触放电非实际条件的情况下，应仔细记录测试设置和程序，并测试足够多的单元，以便评估测试结果中的变化程度。

    一些IC制造商会参照各项标准和源极模型来声明ESD抗扰度。应仔细了解这些声明是遵循MIL STD 883程序还是更现代的标准。如果是后者，则在接受它们的声明值之前，还应了解这些声明适用的电路板布线约束条件。缺乏参考测试说明的ESD抗扰度声明毫无意义。

    初级保护

    虽然IC引脚配备了电压过载箝位电路，但这些电路结构太小，并且位置远离放电进入点，无法像初级保护机制那样有效。因此，系统设计必须包含初级保护元件，以便把能量从ESD闪击安全地分流。

    对于ESD耐受性，保护器件的位置是其中关键的问题。ESD抗扰方法完全依靠把闪击能量分流到地，如表1所示。如果把初级保护器件放在离ESD闪击进入点很近的位置，例如在I/O端口附近，那么闪击电流只会流过很短的一段PCB迹线。而如果把初级保护器件放在离进入点有些距离的位置，那么闪击电流就会流过较长的迹线长度。在这种安排中，闪击电流能更好地以电感形式耦合到邻近迹线，包括那些未在外部端口终结的迹线，如果在此终结，它们就不会受到ESD引发的应力的危害。

    与此类似，接地设计必须考虑正常工作条件下流过的ESD闪击电流和接地返回电流。这项要求一般建议：保护器件配备的接地迹线比设计方案所担保的更粗，或者使用接地层。

    应仔细考虑初级保护器件的规格。元器件制造商只用几个参数来描述瞬态电压抑制器(TVS)的特性，但所有参数均须适合于所需受保护的特定线路。额定工作电压或最高开路电压是被保护电路在正常工作条件下应承受的最高电势。电压不超过最高开路电压时，器件的泄漏电流应不会超过极小的规定值。最高开路电压及其泄漏电流应适用于器件的整个工作温度范围。

    随着器件电势超过最高开路电压，分流电流将开始增加。元器件制造商在分流电流升至特定值时，规定了一个称作“击穿电压”的阈值。该阈值在室温时一般比最高开路电压高10－15%，并且正温度系数约为0.1%/℃。

    TVS把受保护节点限制在箝位电压，元器件的数据表在其峰值冲击电流（最高安全工作电流）规定该电压值。箝位电压一般比最高开路电压高60%。电压从击穿电压升至箝位电压的部分原因是器件在消散ESD闪击能量时的内部温升。保守地规定器件的峰值脉冲功率，就能把箝位电压的影响降至最低。不过，应注意：器件的并联杂散电容与其尺寸成比例。

    箝位电压的第二个影响因素，源自于流过器件及布线中的受保护节点和地之间的寄生电阻的分流电流。让迹线保持尽可能短和宽，可以降低IR。同样，闪击前沿的电流迅速升高，会使插入到器件及布线中的寄生电感对箝位电压产生动态影响。让迹线尽可能短和宽，也可以把这个动态项降至最低。

    以上部分介绍了电子行业的四个长期技术和应用趋势，这些趋势提高了静电放电(ESD)保护对耐用电子设计的重要性。举例说明了ESD闪击可能引发的故障机制，以及一些定义测试仪器和测试协议的常见标准，人们可用这些仪器和协议来评估产品的耐用性。最后介绍了分流型保护器件的关键参数，可用这些器件来保护设计方案中易被ESD和其它快速瞬态损坏的节点。第二部分将介绍最常见的分流时间瞬态抑制器，并探讨如何为其中广泛应用的器件制定规格。

    抑制器（或称箝位器件）有多种构造。最常见的是金属氧化物压敏电阻(MOV)、聚合物变阻器、标准齐纳二极管、雪崩瞬态电压抑制器(TVS)二极管。它们均作为分流型保护器件来工作。（在电源轨应用中，保险丝、断路器或其它过流限制元件应位于能量来源与任何分流型瞬态保护器件之间。缺乏此类串联过流保护，就可能在分流器件工作时导致危险状况。）与此类似，应考虑应用在分流型保护器件与线路驱动器或其它低压I/O信号源之间是否需要串联阻抗，以针对信号路径上的过多故障电流提供保护。

    MOV内部结构包括一个氧化锌颗粒矩阵，这些颗粒在其边界的表现像PN半导体结。该矩阵组成了一个包含串联和并联二极管的大型阵列，因此在击穿期间，电流往往会流经这个整体。间隙电极的作用是重新分配电流密度，来确保这些器件充分利用各自的主体。所以最终MOV的额定功率与体积成正比。

    这些器件天生就是双向，并表现出较高的阈值电压和泄漏电流，这使它们适合作为交流电输入浪涌保护器。对于汽车、工业、数据处理和类似环境中易受线路浪涌影响的直流电应用，上述器件能起到相似作用。然而，这些特性使MOV不适合于多数信号线路保护方案。

    聚合物变阻器的表现类似于可控硅，这意味着它们的I/V曲线可迅速折回，使箝位电压远低于阈值。再加上它们的低电容和小尺寸，使它们对于高速信号线路很具有吸引力。但遗憾的是，它们的阈值电压经常高于现代信号I/O端口上的电压过应力极限情况下的实际可承受量。

    齐纳二极管的特征表现与分流式稳压器相同。这类器件在低于其阈值电压时表现出的泄漏电流非常合理。随着源极电压升高并超出齐纳二极管的阈值，器件开始导电。无负载源极电压和齐纳二极管的工作电压之间的差值在源极阻抗两端下降，并且齐纳二极管会调制分流电流来保持这种工作状况。齐纳二极管的端子电压在恒温时保持基本稳定。

    作为ESD或浪涌抑制器件，由于工作电压所经过的连接面积较小，所以齐纳二极管一般只提供有限的额定功率。该器件的瞬间结功耗是上述工作电压与该器件保持该电压的分流电流的乘积。

    雪崩型TVS二极管的工作特性与齐纳二极管相似，但构造和规格方面的差异使TVS二极管更适合于瞬态保护，尤其是对于低压节点。实际上，TVS二极管是面向此类应用的最常见保护器件。很多关于ESD减缓和浪涌抑制的文献把TVS二极管称作齐纳二极管，并且两者经常共用相同的原理图符号，这造成了不必要的困惑。因此对文章、应用说明和其它设计支持材料应做仔细阐释。

    TVS二极管提供的主要优势是箝位电压低和开关时间少于一纳秒。这些元件的结面积一般大于标准齐纳二极管，这使它们能更好地吸收瞬态能量。然而，较大的结增加了器件的关断模式分流电容。由于结面积与额定功率以及电容之间的关系，人们将会发现，这些器件的额定功率和电容大体成正比。在搜寻合适器件用于高速信号端口设计时，要记住上述情况。

    确定TVS二极的规格

    六个关键参数可以描述TVS二极管：击穿电压(VBR)及其温度系数(dVBR/dT)、最大工作电压(VWM)、最大箝位电压(VCM)、最大峰值脉冲电流(IPPM)、峰值脉冲功率(PPPM)。高速信号线路保护应用对结电容(CJ)也很敏感，制造商通常在零伏偏置电压规定其规格，这是该测量标准的最坏情形工作条件。

    有数千种TVS二极管可供选择，和多参数器件的常见情况一样，人们必须准备同时应付多种器件规格。

    其中一种方法是借助三项数据开始：节点的最大正常工作电压(VN)、连接至该节点的任何半导体的绝对最大引脚电压(VNM)、危险情况的最大故障电流(IIM)。设计中使用的TVS二极管必须满足三项关系：VWM>VN、VCM<VNM、IIM<IPPM。

    如果按照IEC 61000-4-2等标准来设计保护方案，则应采用该标准的IIM。如果使用的标准未规定峰值电流，则可把测试电压除以源极阻抗，并把结果提高20或25%，以便为设计提供一些裕量。

    如果尺寸、成本、电容约束条件允许选择IPP大于应用最低要求的TVS二极管，那么将能实现低于二极管数据表建议的箝位电压。这是因为器件制造商是在器件的峰值脉冲电流规定箝位电压的。如果应用的最大期望故障电流（直接给出或根据标准计算）低于器件的IPP，则箝位电压将是数据表数值的可计算的一部分。

    假设二极管的电压是VBR(MAX)（最坏情形中的导电开端）和VCM（对应于最大电流IPPM的箝位电压）之间电流的线性函数，并且VBR(MAX)位置的电流相对于IPPM可忽略不计，则中等电流时箝位电压的保守估算值为

    如果TVS二极管的数据表未规定VBR(MAX)，则合理的近似值为

    如果应用必须工作于低温状态，而VBR具有正温度系数，约为每摄氏度0.1%。在低温条件下，该数量压缩了VWM和VBR之间的裕量，因此在精简自己的候选零件之前，务必检查VBR在应用的最低温度时的值。

    此外，需确定箝位器件必须容忍的峰值功耗PPP。如果设计遵循的标准未规定峰值闪击电流，则可以计算该值。在闪击源和箝位器件之间的杂散阻抗很低，并且闪击电压远高于箝位电压的最坏情形中，峰值闪击电流基本等于闪击源的开路电压VOC除以其源阻抗ZS。可以简单根据来计算峰值功耗：

    如果闪击源和保护器件之间存在阻抗ZI，则箝位器件的功耗降至

    然而，构成额外阻抗主要因素的元件必须能承受它自己在闪击期间的功耗PI：

    如果抑制器的数据表规定了峰值功耗，则该规格适用于具体波形和脉冲宽度。TVS二极管制造商通常报出的规格中包括10/1,000微秒脉冲。这个瞬态具有所谓的双指数：波形在上升沿和下降沿都有指数型时域特性。在这种情况下，10/1,000规格是指10µs上升时间以及从峰值到半功率的1,000µs下降时间。

    器件的额定功率依赖于波形和脉冲宽度，这是因为瞬态远远短于器件的热时间常量。实际上，这限制了元件在某事件期间能吸收的能量数量（焦耳），与之形成对比的是器件在事件期间所能消耗的能量数量，它是更典型的时间速率（瓦），该事件发生的时间间隔明显长于器件的热时间常量。

    在此类条件下，离散脉冲短于10µs左右，分流抑制器遵循Wunsch-Bell模型：

    其中k为与波形能量相关的常量——其功率曲线的时间积分，而tw为脉冲宽度。制造商的数据表经常以降额曲线的形式说明此项关系。