ESD 已經(jīng)存在了很長時間——可能是在大爆炸之后不久。在人類存在的大部分時間里，它都是通過宏觀效應(yīng)而聞名的，比如靜態(tài)附著和與金屬物體的輕微接觸。然而，自從半導(dǎo)體問世以來，保護電子設(shè)備免受 ESD 損壞一直是制造商的主要目標(biāo)。不這樣做可能會造成災(zāi)難性的后果。

ESD 損壞可能是由于電壓過高、電流過大或兩者兼而有之。高電壓會導(dǎo)致柵極氧化物穿通，而過高的 I 2 R 電平會導(dǎo)致結(jié)故障和金屬化跡線熔化。隨著制造幾何尺寸的不斷縮小——英特爾的 Haswell 使用 22nm 工藝——可能導(dǎo)致 ESD 相關(guān)故障的電壓和電流水平也降低了。這使得即使是相對較低水平的片上 ESD 保護也難以提供。因此，重點已轉(zhuǎn)移到單獨的 ESD 保護器件上。

改變應(yīng)用環(huán)境帶來問題

筆記本電腦、手機、MP3 播放器、數(shù)碼相機和其他手持移動設(shè)備的普及給 USB 3.1、HDMI 2.0、DisplayPort 等高速高速差分接口帶來了特殊問題。在這些不受控制的環(huán)境中，業(yè)主在連接和斷開電纜時經(jīng)常觸摸 I/O 連接器引腳;當(dāng)用戶將相機、游戲和其他設(shè)備插入其 USB 和視頻端口時，設(shè)備會受到持續(xù)的 ESD 壓力。

協(xié)議數(shù)據(jù)速率 (Gb/s) PCIe 3.0 7.877 SATA 3.1 1.5、3.0。6.0 DisplayPort 1.2a Source 1.62, 2.7, 5.4 USB 3.1 10.0 SGMII 1.25 HDMI 2.0 6 表1：一些常見的高速串行接口

IEC 61000-4-2是系統(tǒng)級 ESD 測試的行業(yè)標(biāo)準，旨在復(fù)制帶電人員在最終用戶環(huán)境中對系統(tǒng)放電。系統(tǒng)級測試的目的是確保成品能夠正常運行，一般假設(shè)用戶在使用產(chǎn)品時不會采取任何ESD預(yù)防措施。產(chǎn)生的靜電放電可在 30 ns 內(nèi)達到高達 16A(IEC 61000-4-2 4 級，8kV 接觸放電)。

ESD保護技術(shù)

在高速串行接口中，ESD 保護器件僅僅鉗制 ESD 脈沖是不夠的：它必須在不損害高速鏈路的信號完整性的情況下這樣做。

隨著速度的提高，接口在整個信號路徑中保持阻抗匹配至關(guān)重要。任何阻抗不匹配都會導(dǎo)致線路反射，從而增加抖動并可能影響信號質(zhì)量，因此高速串行接口需要對信號路徑中的任何外部組件進行嚴格的電容限制。

添加所需的 ESD 保護也會增加不需要的額外電容。對于傳統(tǒng)的 ESD 器件架構(gòu)，隨著保護級別的提高，器件電容也會增加，這迫使設(shè)計人員在信號完整性和 ESD 保護之間做出選擇。半導(dǎo)體二極管具有許多理想的特性，例如低鉗位電壓、快速導(dǎo)通時間和更好的可靠性，但直到最近才具有比其他架構(gòu)更高的電容。

最近，制造商推出了基于二極管的保護器件，其電容非常低，專門用于高速應(yīng)用。例如，NXP的PUSB3FR4旨在保護高速接口，例如 10 Gbps 的 SuperSpeed USB 3.1。該器件包括四個高級 ESD 保護二極管結(jié)構(gòu)，采用無引線小型 DFN2510A-10 (SOT1176-1) 塑料封裝。

所有信號線均由提供 0.29 pF 線路電容的特殊二極管配置保護。二極管采用回彈結(jié)構(gòu)，以便為下游組件提供高達 +/-15 kV 接觸的 ESD 電壓保護，超過 IEC 61000-4-2 第 4 級。

類似的PUSB3FR6帶有六個 ESD 器件，為 USB 2.0 和 USB 3.1 的接口組合提供系統(tǒng)級保護，這是新型 USB Type C 連接器的一個特性。

安森美半導(dǎo)體在這個市場上也很活躍：其ESD7008為 UDFN18 封裝中的 4 個差分對(8 條線路)提供 ESD 保護，并具有 0.12pF 的典型接地電容。

布局建議

PCB 上的許多寄生元件可能會降低系統(tǒng)的整體 ESD 性能，因此有必要優(yōu)化 ESD 保護器件的布局和 PCB 布局，以實現(xiàn)最佳的 ESD 性能。

這里有一些建議：

· 必須通過縮短返回到 GND 通孔的接地路徑來盡可能減少寄生電感。

· 對稱布局還可以減少寄生電感。連接 ESD 設(shè)備一側(cè)的連接器和另一側(cè)的收發(fā)器非常重要。

· 為避免 ESD 在 PCB 上傳播，必須將 ESD 保護器件放置在盡可能靠近 ESD 源的位置。

· 由于 ESD 應(yīng)力可以在接口電纜的兩側(cè)傳播，因此需要在電纜的每一端安裝保護裝置。

用于高速流通封裝的 ESD 保護器件有助于正確的布局實踐。圖 2 顯示了 ST 的HSP061-4NY8的引腳排列，它為 HDMI、USB 3 和類似接口提供 4 線 ESD 保護。I/O 對地電容為 0.6pF，差分阻抗在 HDMI 規(guī)范下為 100 Ω 典型值。

同樣，ON 的 ESD7008 上的流通式封裝允許簡單的 PCB 布局和匹配的走線長度，以保持一致的阻抗。

許多其他制造商還提供用于高速使用的 ESD 保護器件，這些器件旨在滿足 IEC612004-4-2 標(biāo)準。