用于确保信号完整性的ESD保护器件新结构

　随着视频图像分辨率以及色彩深度的提高，数字视频信号的速率呈现越来越高的趋势，ESD(静电放电)保护器件作为高速数字信号接口如HDMI、DVI、USB等中必不可少的模拟元器件，一种发展趋势是采用IC制造工艺做成集成在单一芯片中的ESD保护器件阵列;另一种是采用分立元件制造工艺，做成分立的ESD保护器件。

　　ESD保护器件的新材料以及制造工艺的发展驱动力在于，既要具备很高的抗静电放电的能力，又要具有超低的电容。

　　传统ESD保护器件的局限性

　　最常见的ESD保护器件可以分为三类：聚合体、变阻器/抑制器以及二极管。

　　聚合体器件

　　聚合体因具有低于0.05～1.0 pF数量级的电容，它在高频应用中似乎具有吸引力，但是，这种低电容特性也带来了一些副作用。

　　聚合体击穿的触发电平远远高于钳位电平，典型的聚合体ESD保护器件的击穿电压高达500V，击穿之后迅速回复至高达150V的钳位电平。当电荷被释放后，聚合体才恢复高阻状态，这就需要花费很长的恢复时间。

　　变阻器和抑制器

　　变阻器和抑制器是非线性可变电阻器。抑制器存在的问题在于触发电压高、钳位电压高以及电阻高，典型的低电容抑制器的钳位电压范围150～500V，动态电阻在20~40Ω之间，从而导致大部分能量能够抵达受保护器件，而不是被旁路到地。此外，变阻器和抑制器存在的最大问题是每次ESD冲击之后，器件的电特性会发生变化，包括电容参数。

　　二极管

　　ESD保护二极管具有低的钳位电压、低电阻以及快速开启时间和更高的可靠性等特点，因此，能提供最佳的保护特性，最新的ESD保护二极管已经可以做到低于1pF的电容，因此，使之成为ESD保护的理想选择之一。许多公司提供针对ESD保护的二极管阵列。可是，片上ESD保护二极管存在的问题在于要进一步提高抗ESD冲击的能力有限，它更适合于便携式产品。

　　随着数字信号速率的提高，传统的ESD保护器件均存在一定的局限性，因此，有必要研究更为有效的ESD保护器件的新结构和新材料。

　　确保信号完整性对保护器件的

　　3个要求

　　ESD保护器件的设计和制造除了要遵循ESD保护准则之外，同等重要的就是ESD保护器件必须符合数据传输过程中确保信号完整性的要求。

　新一代ESD保护器件必须要通过下列手段确保数字信号的完整性：

　　(1) 提供更大的带宽;

　　(2) 减低电容;

　　(3) 确保各个批次的ESD保护器件具有一致的特性。

　　ESD保护器件既要对电容和带宽进行最优化，又要求对具有多条接口线的器件来说，接在各条线上的保护器件具有均匀一致的特性，为的是防止出现不一致的数据通道以及串扰。

　　按照参考文献[3]给出的测量方法，利用眼图技术可以确定ESD保护器件的电容和带宽对信号完整性的影响，如图1所示。

　　图中各数字的意义如下所述：

　　⑴“0”电平：对逻辑“0”的平均值的测量;

　　⑵ “1”电平：对逻辑“1”的平均值的测量;

　　⑶ 上升时间：对数据向上跳变时间的测量;

　　⑷ 下降时间：对数据向下跳变时间的测量;

　　⑸ 眼高：对垂直开口的测量，确定因噪声引起的眼的闭合程度;

　　⑹ 眼宽：对水平开口的测量，确定抖动对眼的开口的影响;

　　⑺ 确定性抖动：由其理想时间的跃迁导出，它由相对于其他跳变的反射引起;

　　⑻ 眼幅：逻辑“0”和逻辑“1”的柱状图平均值的差;

　　⑼ 比特率：比特周期的倒数。

　从图2对1.65Gbit/s数据率信号的眼图测量中，比较左上角采用0.6pF电容的ESD保护器件测得的眼图与右下角未使用ESD保护器件测得的眼图可见，ESD保护器件的电容越低，对信号质量退化的影响越小。图2中左下角和右上角显示了ESD保护器件的电容分别是2.5pF和3.5pF时眼图质量变差的情形。

　　降低ESD保护器件电容的新结构和材料

　　为了克服传统ESD保护二极管的局限，多年前安森美半导体已经采用突破性的工艺技术，将超低电容PIN二极管和大功率TVS二极管集成在单个裸片上，从而实现高性能片外ESD保护解决方案。这种集成型ESD保护技术既保留了传统硅TVS二极管技术的良好钳位和低泄漏性能，又将电容大幅降低至0.5pF。0.5pF的总电容使ESD保护器件适用于USB2.0高速(480Mbit/s)和高清多媒体接口(HDMI)(1.65Gbit/s)等高速应用。

然而，目前HDMI接口已经发展至1.3版本，其速率已经远远高于最初版本规定的速率。为了进一步满足高速数据接口对ESD保护器件的新要求，日本Tateyama Kagaku工业股份有限公司提出了一种具有0.2pF(±0.1pF)超低电容的ESD保护器件的结构，如图3所示。

　　这种结构的独特之处在于采用了铝基厚膜片，从而制成具有很高机械强度的薄膜结构。此外，因为采用了薄膜丝印电容制作工艺，可以实现超低的电容。

　　另一方面，Littlefuse公司提出了一种绝缘的压变材料(VVM)，当遇到ESD瞬间冲击时，VVM变为导通并把冲击旁路到地。在ESD被消耗之后，该材料恢复绝缘状态。其核心技术在于采用了聚合体混合材料，把金属离子和半导体粒子在电容的两个电极之间混合，从而创造极低的电容值，如图4所示。

　　Littlefuse提供的基于VVM材料的PulseGuard ESD抑制器件的特点在于，一方面对ESD敏感的IC提供可靠的钳位保护，另一方面提供低至0.05pF的超低电容。这是现今业内宣称最低的ESD保护器件的电容值。

　另外，California Micro Devices公司开发的PicoGuard XS架构ESD保护器件通过集成电感与ESD保护二极管，消除了对用于线路阻抗匹配的外部补偿的需要，从而降低了设计复杂性和成本。它也可以在改善ESD保护的同时，提供杰出的信号完整性，以及将设计复杂性降到最低，从而使系统设计师无需再就信号完整性和ESD保护做出折中选择。

　　目前，提供ESD保护器件的公司众多，包括ST、Maxim、Semtech、CMD、安森美、Littlefuse、Vishay、Sarnoff等等，这里尤其值得关注的是位于欧洲的Sarnoff公司，该公司以授权ESD保护器件的IP著称。

　　在ESD保护器件领域云集如此多的厂家，原因之一在于我们正在进入一个高清视听时代。

　　高清视听时代保护器件将

　　面临大发展

　　通过本文的介绍，您看到了ESD保护器件的最新结构。而随着时间的推移，多个领域出现了对更高速率传输标准及其接口器件的需求，如图5所示，包括广播、消费电子、PC、以太网、存储设备以及电信等领域。

　　ESD保护器件作为挂在高速数据传输接口上的器件，只有进一步降低电容或者采取其他技术措施，才能在数据率不断提高的情况下，从元器件上确保信号完整性。以HDMI接口保护为例，每一条接口线均需要一块ESD保护器件，一路HDMI接口就需要8块ESD保护器件。可以想象，在高清视听设备时代对ESD保护器件的需求将呈现天文数字的高速增长。

当然，要全面解决信号完整性设计所涉及的问题，不仅仅外接的ESD保护器件很重要，高速芯片的电路板布局布线也是相当复杂的问题，这方面有专门的文献可供参考。当数据率超过电信号处理的极限时，采用光纤或者数模混合技术进行数据传输可能就是终极解决方案。

　　总而言之，掌握最新的技术趋势，对于中国电子元器件行业把握前进的方向有一定的指导意义。