如何选择有效的ESD保护二极管

出处：维库电子市场网发布于：2024-12-10 16:08:52

　　ESD 波形

　　在系统级定义典型 ESD 事件的常用波形是 IEC61000-4-2 波形，其特点是亚纳秒上升时间和高电流水平（见图 1）。该波形的规格规定了 4 个级别的 ESD 幅度。大多数设计人员都需要将其产品鉴定为别，即 8kV 接触放电或 15kV 空气放电。在元件级进行测试时，接触放电测试是合适的测试，因为空气放电测试在如此小的元件上不可重复。

　　ESD 保护器件的目的是将数千伏的 ESD 输入降低至受保护 IC 的安全电压，并将电流从 IC 分流出去。尽管所需 ESD 波形的输入电压和电流在过去几年中没有变化，但保护 IC 所需的安全电压水平却有所下降。过去，IC 设计对 ESD 更加稳健，并且可以处理更高的电压，因此选择能够满足 IEC61000-4-2 4 级要求的任何保护二极管就足够了。对于更新、更灵敏的 IC，当今的设计人员不仅必须确保保护器件能够满足 IEC61000-4-2 4 级标准，还要确保器件将 ESD 脉冲钳位在足够低的电压，以确保IC没有损坏。在为给定应用选择保护器件时，设计人员必须考虑 ESD 保护器件将传入 ESD 事件钳位到多低。
　　如何选择有效的保护解决方案
　　保护二极管数据表上的关键直流规格是击穿电压、漏电流和电容。大多数数据表还将规定 IEC61000-4-2 的额定值，这表明二极管不会被指定级别的 ESD 脉冲损坏。大多数数据表的问题在于，它们没有任何有关高频、高电流瞬变（例如 ESD）的钳位电压的信息。与数据表中指定的直流电压相比，在这些类型的瞬态事件期间，保护二极管的钳位电压要高得多。然而，很难为 IEC61000-4-2 规范指定钳位电压，因为它旨在成为系统级的通过/失败规范，并且频率非常高。要将这一规范应用于保护器件，不仅要检查保护二极管是否通过，还要检查它对 ESD 电压的钳位有多低，这一点至关重要。

　　比较保护二极管钳位电压的方法是使用示波器截取 ESD 事件期间二极管两端的实际电压波形。这是通过测试设置来完成的（参见图 2）。

　　当查看暴露于 IEC61000-4-2 的 ESD 保护器件的电压波形时，通常会出现一个初始电压尖峰，随后出现二次峰值，终电压将趋于平稳。初始尖峰是由 IEC61000-4-2 波形的初始电流尖峰和测试结构中的电感引起的过冲共同引起的。然而，初始尖峰持续时间很短，这限制了传输到 IC 的能量。保护装置的钳位性能地显示在初始过冲之后的曲线中。二次峰值是主要问题，因为电压波形持续时间较长，从而增加了 IC 所承受的总能量。在下面的研究中，钳位电压被定义为次级峰值的电压。
　　基准研究示例
　　为了进行公平比较，所选部件应具有相似的封装尺寸和数据表规格。本次比较选择的部件是三个 ESD 保护二极管，在比较数据表中的电气特性时，这三个二极管被视为可以直接替代。这些器件均为双向 ESD 保护二极管，具有相同的击穿电压 (6.8V)、电容 (15pf) 和封装外形 (1.0 mm x 0.6 mm x 0.4 mm)。本研究选择的产品是 Rohm 的 RSB6.8CS、KEC 的 PG05DBTFC 以及 ON Semiconductor 的 ESD9B5.0ST5G。

　　当比较上述部件的直流性能时，它们看起来似乎相同（参见下面图 2 中的曲线轨迹）。此外，它们都声称符合 IEC61000-4-2 4 级标准，这意味着它们都能承受高达 8 kV 接触电压的 ESD 冲击。 ESD 保护器件确保敏感 IC 保护的关键性能特征不是直流性能，而是直流性能。然而，虽然设备能够满足 IEC61000-4-2 4 级标准很重要，但更重要的是受保护的 IC 能够满足要求。为了确保 IC 在 ESD 事件期间存活，保护二极管必须将 ESD 电压钳位到足够低的值，以免 IC 损坏。

　　为了比较每个器件的钳位性能，我们将使用示波器截取 ESD 事件期间的电压波形。我们将进行并行测试，保持所有测试条件相同。下面的图 3 显示了同一图表上每个二极管对正负 ESD 脉冲的响应。使用的输入脉冲是标准 IEC61000-4-2 4 级触点 (8 kV)。

　　图 3. ESD 保护二极管的电压钳位比较（示波器屏幕截图）
　　从图 3 中的屏幕截图可以明显看出，当应用 ESD 的高电流条件时，三个保护二极管的性能存在明显差异。与 KEC 和 Rohm 部件（蓝色波形）相比，安森美半导体保护解决方案（黑色波形）为 ESD 脉冲提供更低的钳位电压。对于正脉冲，ON Semiconductor 部件钳位在 14 V，而 KEC 为 18 V，Rohm 为 23 V。在施加负脉冲期间，三个器件之间的钳位电压差异变得更加明显。安森美半导体器件的负脉冲钳位电压为 20 V，KEC 器件的负脉冲钳位电压为 34 V，罗姆器件的负脉冲钳位电压为 42 V。在负 ESD 事件期间，这三个器件之间存在明显的区别，其中 KEC 部件的钳位电压比 ON Semiconductor 部件高 70%，而 Rohm 部件的钳位电压是 ON Semiconductor 部件的两倍以上。通过 KEC 和 Rohm 产品的负脉冲总电压可能对更容易受到 ESD 损坏的新 IC 设计造成潜在危险。然而，安森美半导体部件在两个方向上保持低钳位电压，从而限度地降低正负 ESD 脉冲的风险。
　　良好的保护器件必须能够很好地钳位正负 ESD 脉冲，以保证终产品在实际条件下具有的可靠性。两个方向的低钳位电压确保该器件能够保护敏感的 IC，从而使设计人员能够利用的 IC 技术来突破功能和速度的极限。认识到钳位电压在 ESD 保护器件选择中的重要性与日俱增，许多保护公司都在 ESD 保护器件的数据表中提供了 ESD 钳位屏幕截图，如图 3 所示。

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