ESD器件应用及解决方案探讨（一） 解决方案, 自我介绍, 来宾

羞红的夏天

ESD器件应用及解决方案探讨(一)
齐治：各位来宾下午好！先自我介绍一下，我是来自AEM科技的齐治，主要负责过压保护器件方面。今天的演讲内容分为四个方面进行：一，ESD的相关介绍；二，ESD保护器件分类及对比；三，ESD保护器件应用及选择探讨；四，ESD解决方案及实例探讨。前两个部分有专家做了介绍，所以前两个部分说得比较快一些，把重点放在第三、四部分。
关于ESD部分这里不多说了，主要强调ESD的特点。有三个特点：持续时间短、低能量、瞬时高电压，这三个特点刚好和过压保护另一个重要的应用直接对应起来，因为目前过压最多的应用两个方面，一个是浪涌防护，一个是静电防护。浪涌正好和他相反，浪涌防护持续的时间较长，它是非常大的能量，同时它的电压相对而言较低。根据ESD的特点，我们也需要有针对性地研制或者对应它的特点开发相对的ESD保护。ESD无处不在，重点是区别关于器件型的静电防护和系统型的静电防护，我们可能注意到一些微电路或者一些IC以及器件，它会标上可以抗受2000V、4000V或者一定等级的电压，包括我们为了更好地分析静电，也会总结出一些模型，比如说整体模型、机器模型还有充电模型来分析静电。这里需要注意的是，包括人体模型和PDM在内，它们更多的是指器件在运输、使用和装配的过程中所能够抗受的等级，这个等级并不代表真正交到消费者手上的等级，所以这两者需要区分，不能划成同一类对比。因为从器件型的静电防护而言，它的能量要低于系统型的静电防护，后面会做简单的介绍。目前最为通用的静电防护标准是IEC61000-4-2，之前介绍得比较多，这里不再做过多介绍了。需要注意的是IEC61000-4-2的等级里，目前比较通用的是第四等级，就是最高的等级，接触放电8KV，空气放电15PV，峰值电流可以达到 30A，相对的HBM（人体）模型峰值电流只是它的1/5，所以在这里需要留意不同的模型和不同的标准规定的是有差异的。如何面对静电放电，ESD器件如何起到保护作用？我们需如何应对？这里画了一个标准的静电图，也是我们希望ESD保护器件所能够起到作用的示意图。顺便说一下本人演讲的内容和ppt等资料都可以在主办方电子元件技术网(http://www.cntronics.com/)和我爱方案网(http://www.52solution.com/)上下载。另外可以看到从最初的瞬间高电压，这是一个标准的静电脉冲波形，我们希望加入了ESD保护器件之后，它能够在有效的箝位电压位把整个的电压抑制住，形成可以保护的箝位波形，这是研发ESD保护器件最主要的目的。
第二部分，对ESD保护器件的分类及对比进行探讨和分析。之前Littelfuse的人员都说了比较多，目前ESD保护器件主流是三大类：第一类是以硅材料技术为代表的ESD保护器件，最典型的代表是TVS二极管；第二类是以氧化锌材料技术为代表的ESD保护器件，典型的代表是多层氧化锌压敏电阻；第三类以高分子聚合物技术为代表的ESD保护器件。这三大类产品各有特点，存在即合理，因此每一类产品根据不同的特点会有不同的应用重点和领域。高分子聚合为是一种比较特殊的产品，可以所它是特殊时期的特殊产物，在通讯技术以及高速传输得到迅猛发展的时候，工程师往往会发现，他们在选择ESD保护器件的时候，没有办法从原有的TVS二极管或者是压敏电阻中找到足够低的容值，使它在电路中不会产生足够大的寄生电容或者形成滤波器，以对通过的信号造成不干扰的状况，在这种情况下产生了高分子聚合物的ESD保护器件，它最大的特点就是它的容值可以做到非常低，可以做到0.1PF甚至0.05PF以下，当时无论是压敏电阻还是TVS二极管都无法实现1PF以下的容值。
因此在HDMI包括USB2.0推出的时候，真正在这个地方用得最广泛的就是高分子聚合物ESD保护器件。随着时间的发展，不同的产品也在不同的提升相对的性能，包括TVS二级管在内，目前已经可以做到0.5PF左右的容值，完全可以应用在高速传输的端口部位，包括压敏电阻也可以实现0.5PF以下，甚至可以达到0.2PF左右的容值，也能够完全满足。虽然我们现在说主流的产品仍然有上述所说的三大类，但是实际上高分子聚合物的ESD保护器件已经慢慢地淡出这个市场，因为它在其他方面的性能确实存在一定的缺陷，所以主流真正意义上应该是前两种。在这里需要说的是AEM会推出新一代的保护器件，如果说前面仍然是以三个产品为主流的话，那AEM新推出的玻璃陶瓷二极管应该就是第四类保护器件，我希望在我们的不断推广过程中，将来不同的厂商在做对比的时候，会把我们的这一类系列产品加到他们的主流产品中做对比。玻璃陶瓷二极管具有一定的特点，我可以做简单的介绍：首先，它采用我们独有的玻璃陶瓷材料，有专制的制造工艺实现，性能上首先具有低漏电流，它的漏电流可以说在目前所有ESD保护器件中做到了最低的漏电流控制，可以达到纳安级，我们把它控制在0.02安以下，而其他的主流产品基本上都是在微安的级别。
目前大家提倡环保、绿色的社会，各种各样的电器、电子产品，都会对功耗有严格的控制，因此，低漏电流的严格控制可以有效地给客户提供非常良好的选择，降低整个电子、电器产品的功耗影响。第二个特点是它的承静电冲击、高稳定性，它的性能稳定性非常突出，通过我们不断的实验以及正常的实际使用，我们可以看到这类产品可以承受数千次次甚至上万次以上静电冲击。第三个特点是它的低箝位电压，目前来说箝位电压仍然是TVS二级管做得最为理想，它可以控制到最低，甚至10V以下。除了TVS二极管以外，无论是氧化锌、压敏电阻还是高分子聚合物的ESD保护器件，他们的箝位电压相对来说都是比较高，往往都是几十伏甚至近百伏左右，我们的产品典型是低于50伏，事实上我们的产品可以达到20伏以下的箝位电压控制，这也是我们产品的一个特点。第四个特点就是它的低容值，目前这一系列的产品容值小于0.25PF，事实上我们的产品还有非常大的空间可以继续下降，但是作为目前的情况下可以正常的设计和使用，所以我们目前推出的规格达到0.25PF，这是产品的主要特点。相比而言它还具有比较高的性价比，性价比这个方面是先从性能上考虑，在优先性能的情况下我们的产品具有非常好的性价比。
下面是对目前主流ESD保护器件的性能做一个简单的对比，这里有很大一部分内容是摘自电子元件技术网的知识库 ( http://www.cntronics.com/public/baike )。首先是TVS二极管，TVS二极管通常采用PMGA加上环氧树脂的材料封装，是一个典型的主动器件的工艺模式。氧化锌压敏电阻，它的材料和结构是用氧化锌机体与电极层高温形成一种结构，也是一种典型的被动器件。高分子聚合物是PCB或者陶瓷机体加上有机高分子材料制成。AEM的玻璃陶瓷二极管是采用我们独有的玻璃陶瓷材料加上具有专利的工艺制成所实现，它从材料到结构都与前三种完全不一样。第二个性能方面就是能量耗散，能量耗散在一定程度上也决定了产品很多方面的性能。TVS二极管是以传导为主，也就是说ESD能量传输的时候，它是通过迅速的传导把能量转移走。压敏电阻则是以吸收为主，传导为辅。高分子聚合物实际上和压敏电阻完全一样。玻璃陶瓷二极管和TVS二极管一样，是以传导为主，吸收为辅。
再看箝位电压控制，刚才已经有了简单的介绍，作为箝位电压控制来说，目前做得最好的就是TVS二极管，因此对于一些敏感电路以及敏感IC的保护部位，TVS二极管仍然是最佳选择。无论是氧化锌压敏电阻还是高分子聚合物，相对而言他们的箝位电压控制得不是非常理想，后面会有电压图可以做参考。AEM 的玻璃陶瓷二极管在箝位电压控制上已经非常接TVS二极管所能够达到的低箝位电压控制的能力。漏电损耗刚才提到过，TVS二极管、氧化锌电阻包括高分子聚合物它们基本上以微安级为主，因为我们的产品可以达到0.02安以下，是纳安级的产品，在耐受冲击次数上，实际上耐受冲击次数包括性能的稳定性，都和前面所说的能量散耗和工作原理有非常直接的关系，由于TVS二极管和玻璃陶瓷二极管都是以传导能量为主，因此他们的性能非常稳定，并且耐受冲击的次数都是在数千次至万次以上，也就是说它的工作稳定性非常好，可靠性非常强。而作为压敏电阻和高分子聚合物，由于他们能量耗散的方式是以吸收为主，在吸收能量的过程中会对自身的材料造成影响，所以在持续的工作状态下，他们出现性能下降的现象。在实际的应用中比较容易观察到的就是两个：一是漏电流会逐步放大，二是压敏电压会有逐步下降的过程，这也导致他们的耐受冲击次数并不是很理想，相对而言，压敏电阻一般来说是在几十次至数百次之间，高分子聚合物更差一些，可能在几十次以后就会出现被击穿或者短路的现象。另一个特性是关于它的方向性，因为TVS二极管是单通道的，如果说我们一个电路中需要对这个产品的双向进行保护的话，需要采用双向进行保护。作为氧化锌压敏电阻、高分子聚合物以及玻璃陶瓷二极管都是双向的，换句话说他们是没有方向性，在使用上会更加便利和方便。
下面是三个关于静电电压的使用图，可以看不同的产品对于静电信号的抑制和箝位电压控制的对比。首先是高分子聚合物和玻璃陶瓷二极管的对比，从这个对比中可以看到高分子聚合物、ESD保护器件它的箝位电压相对而言控制得比较高。这张图是压敏电阻系列产品和玻璃陶瓷二极管做的对比，可以看到压敏电阻的箝位电压控制得也是相对偏高的。以上内容可以参考我爱方案网的知识堂 ( http://www.52solution.com/knowledge )。最后的图是AEM的产品以及和TVS二极管的对比，可以看到TVS二极管的箝位电压控制确实最好，但是我们的产品已经非常接近它的箝位电压控制。总体而言，玻璃陶瓷二极管在某些性能上已经非常接近TVS二级管的性能，但是在其他一些特点上已经超过TVS二极管，综合相比，在目前的ESD保护器件中，它应该是一种非常理想的选择。
第三部分是ESD保护器件应用与选择。目前我们要对一个电路进行ESD保护的时候，如何对它进行筛选？首先我们会根据传输速度选择合适的电容值，这也是应对目前高速通道和电路高速发展的需要应对出来的一个标准，这里有一张图，最上面是不同的产品对应的工作频率，下面是电容值的大致分布，这里一般是两个大的区分，一般来说是USB2.0-1394开始，因为1394目前应用比较少，从USB2.0到HDMI，以及我们将来会推出的USB3.0甚至更高传输速度的产品，对于电容的要会更加严格，一般来说USB2.0正常的电容需求不能超过3PF，正常是1至3PF之间。当达到HDMI高速传输的时候，我们正常的推荐是要到0.5PF以下，因为0.5PF以上会看到相对应的干扰。在根据电容选择到合适的产品系列以后，我们还需要考虑合适的工作电压，通常选择略高于或者等于系统电压即可。自动粘贴原文地址：http://www.cntronics.com/public/seminar/content/type/article/rid/80/sid/15下来我们会考虑箝位电压的要求，因为对于电路保护而言，我们需要考虑后面的电路可以承受的最高能量电压是多少，然后根据它所承受的最大耐电压选择合适的产品，这个产品的箝位电压不能大于被保护的极限电压。再下来我们会考虑漏电电流，我们会尽量选择漏电流足够小的产品做应用，这样的话尽可能地减少多余功耗，尤其是在一些便携式的设备商，由于便携式的电子产品更多的是通过充电或者电池的方式实现工作，在这种情况下能够使整个电路有更小的功耗和损耗也可以保证这个产品有更长的使用时间。
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