ESD保护界线新技术

设计工程师为了应对诸如HDMI、SATA、MIPI和DisplayPort等新的输入/输出(I/O)接口要求的更高数据率，必须考虑降低ESD保护器件的电容。然而，由于更精微的工艺几何尺寸更易受到ESD冲击的影响，制造商迫切期望提供更高等级的保护。传统ESD架构如今极力提供更适宜的保护等级并支持所期望的数据率，使得设计界面临左右为难的窘境。因此，工程师必须在系统可靠性和信号质量之间做出困难的折中取舍，实际上会使系统整体性能在某种程度上受损。对于设计能够同时符合更高数据率和更好ESD保护新需求的芯片的制造商来说，要实现这个目标极具挑战性。

ESD保护领域的变化
由于采用更小的制造几何尺寸、片上保护减少及应用环境不断变化，ESD保护的界线已经大幅改变。我们依次来审视一下这几种因素。

1 几何尺寸更小——随着当今最先进的专用集成电路(ASIC)半导体工艺节点降至90纳米及以下，与ESD相关的失效可能发生的电压和电流电平也变小。

2 片上保护减少——最新芯片越来越容易遭受ESD损伤的情况已经广为人知。ESD目标规范行业委员会(Industry Council on ESD Target Specifications)近期公布了降低片上ESD保护标准等级的举措，使得外部ESD保护电路对提供足够的系统可靠性更为关键。

3 应用环境变化——笔记本电脑、手机、MP3播放器、数码相机及其他便携消费类设备市场海量扩张，而所有这些设备的使用环境都未受控制(如未使用腕带接地线或传导型/接地型桌面)。在这些环境下，用户可能接触I/O连接器引脚，同时连接线缆或断开线缆连接。在正常使用期间，便携设备也可能积累电荷，并在连接至计算机或电视时，将积累的能量释放。
使用外部补偿来均衡线路阻抗
高速布线方面的一个关键因素是整条传输线路提供匹配的阻抗。影响特征阻抗的变量有很多，包括走线宽度、电路板介电厚度、板材料和走线上的元件等。增加任何ESD保护电路（由于其本身的电容缘故）会影响线路的阻抗。因此，有必要通过阻抗匹配来为这种情况提供补偿。

优化布线的最重要目标是匹配整条线路上的阻抗，而在HDMI规范中，允许的阻抗是100Ω±15%。在线路中增加任何保护器件，无论是二极管、压敏电阻 、抑制器或聚合物，都会使电容增大，源头不仅来自器件本身，还包括将器件与印制电路板(PCB)连接在一起的焊盘。电容增加令信号失真，并可能导致视频质量较差，甚至是兼容性测试失败。有鉴于此，ESD保护供应商着重于降低器件的电容，但如前所述，这样会对ESD保护性能构成负面影响。例如，可能通过缩减尺寸来降低二极管电容，但这可能导致电阻增加，使得钳位电压更高，以及抵达受保护器件的残余电流更大。

增加电容的补偿技术
系统设计人员为了给保护器件电容增加提供补偿，常常需要更改设计，降低电路板上其他位置的电容，或增加额外的电感。典型补偿技术包括：

1 增加共模扼流圈或滤波器——采用这种方法时，共模扼流圈的额外电感会补偿ESD器件的电容。不利的是，在设计中增加高速共模扼流圈成本可能非常高，应该尽可能避免。

2 减小保护器件所在区域的走线宽度(增加走线电感)——这通常称作走线颈缩(trace necking)，在仅要求少量补偿时可能非常有效。这种方法的一项局限是，在薄介电板上，如果ESD保护器件的电容过高，就难于提供匹配的阻抗。

3 降低走线下的电容——可以通过消除走线下面的任何接地层及仅在ESD元件所在区域降低电容来实现。
虽然以上各种技术都业已成功使用，但它们仅是极佳的次优选择，因为会使设计复杂度和成本升高。它们要求设计和制造环境受到良好控制，使用更昂贵的外部元件(如共模扼流圈)或更精密的PCB，令总体物料单(BOM)成本更高。使用这些技术的另一项主要不足是许多工程师没有足够的经验来设计阻抗受控的布线。
欠缺这方面的经验常常会导致设计错误，使开发成本和耗用时间如滚雪球般增长，因为可能涉及到多次电路板返工，以及设计和制造失控等。最后，许多大型制造商倾向于与多个PCB供应商合作，故难于确保一种布线在所有这些不同供应商提供的PCB上都能发挥实效。

新的保护方法
安森美半导体开发出的PicoGuard XS架构可以维持高速数据接口的信号完整性，同时提供更强的ESD保护。这种架构向上布线并穿过封装，而不是位于封装下面，借此消除走线寄生参数。这种方法将电感与ESD二极管集成在一起以匹配信号线路阻抗，从而摒弃任何类型的外部补偿。集成电感降低钳位电压及受保护ASIC所流入的残余电流，从而改善ESD性能。

XS封装的架构(见图1)让接地层一直贯穿于封装的下面，这表示所有焊盘至裸片的线邦定的长度都相同，使得电感匹配，无须电路板设计人员采取任何补偿措施。此外，在另一个确保提供可靠ESD方案的重要因素——动态电阻(RDYN)方面，采用PicoGuard XS架构的产品能够比其他针对高速差分数据线路保护应用的传统穿越型(flow-through)元件表现得更好。

图1  PicoGuard XS与传统ESD保护设计比较

这种架构也省却了扼流圈的需要或PCB上的走线宽度修改。而且，这种架构与电路板堆叠无关，使系统设计人员能够使用多个电路板供应商的产品，无须为各个供应商的产品进行定制阻抗匹配。这种架构能够提供与所涉及PCB层数、介电厚度及其他布线方面变量无关的匹配阻抗。

新方法的技术原理
图2显示了标准ESD保护元件的特征图。电感元件表示的是源自邦定线和连接至保护元件的PCB走线的寄生电感。在这种标准元件模型中，电感元件为抵御高转换率(slew rate)ESD冲击的高阻抗，限制了保护元件快速吸收ESD能量的能力，使得更多的能量进入受保护的ASIC。

图2 传统ESD器件表征

图3 PicoGuard XS器件表征

作为对比，PicoGuard XS架构的电感元件与连接至受保护ASIC的导电通道串联，如图3所示。这元件实际限制冲击受保护器件的电流和电压。首先，ESD冲击会出现的连接器端的电感元件L1存在电抗，这电抗的方向与ESD电流方向相反，帮助限制峰值冲击电压。然后，ASIC端的电感元件L2的电抗迫使更有限的ESD冲击电流通过ESD保护元件分流。与此同时，这两个串联元件的电压降也发挥作用，降低受保护ASIC遭受的钳位电压。