保護(hù)敏感ic元件為了成本，集成度和性能等指標(biāo)，采用高速串行數(shù)據(jù)接口，并且減小半導(dǎo)體制造布局是非常有必要的。但這種較小的器件更容易受到較低電壓和電流所造成的靜電損傷。另外，用于高速數(shù)據(jù)線上的低電容esd保護(hù)器件在電容減小的同時(shí)，動(dòng)態(tài)電阻會(huì)變大，這會(huì)使它們保護(hù)系統(tǒng)敏感ic元件的能力變差。
對(duì)于傳統(tǒng)的esd保護(hù)方案，強(qiáng)大的靜電放電保護(hù)與良好的信號(hào)完整性是一對(duì)矛盾。有一些asic根本無法在保證信號(hào)完整性的同時(shí)，有效地進(jìn)行esd保護(hù)。
數(shù)據(jù)表說明書
系統(tǒng)設(shè)計(jì)者通常用器件數(shù)據(jù)表上標(biāo)注的esd等級(jí)來比較其esd保護(hù)能力。然而這些等級(jí)僅僅適用于單獨(dú)的esd器件，而不代表它們所在的工作系統(tǒng)。
一個(gè)esd等級(jí)標(biāo)注為8kv的設(shè)備，可能會(huì)使2kv或者更低的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試失敗。有時(shí)，一個(gè)標(biāo)注為15kv的器件對(duì)系統(tǒng)提供的保護(hù)可能還不如一個(gè)8kv的器件。大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者用來比較esd器件的主要參數(shù)根本無法顯示實(shí)際的系統(tǒng)層次的性能。
系統(tǒng)ic常常會(huì)因?yàn)檫^電壓、過電流或者同時(shí)受到兩者的作用而受損。很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)者都知道連續(xù)電壓會(huì)使ic遭到損傷，卻沒有意識(shí)到大電流往往是esd損傷的真正原因。
圖1 在傳統(tǒng)的esd保護(hù)體系中，靜電放電保護(hù)與信號(hào)的完整性是一對(duì)矛盾
esd保護(hù)器件可以將大部分電流引入地下，并且將作用于asic之上的電壓限制在擊穿電壓之內(nèi)。理論上，我們可以通過比較它們的鉗位電壓和剩余電流（未被esd器件分流的電流），來比較esd器件的性能。但是，實(shí)際情況卻遠(yuǎn)不是如此。
鉗位電壓
在實(shí)際測(cè)試中，廠家所發(fā)布的鉗位電壓是在給器件施加一個(gè)上升時(shí)間為 8μs，持續(xù)20μs的脈沖的情況下確定的。
大多數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表所示的鉗位電壓都是通過對(duì)器件施加1a脈沖確定的，有時(shí)也會(huì)采用電流強(qiáng)度更高的脈沖。這種脈沖可重復(fù)獲得，并易于測(cè)量，因此被廣泛采用。但不幸的是，這種脈沖并不等價(jià)于esd脈沖。esd脈沖只有1ns的上升時(shí)間，持續(xù)60ns。除此之外，iec 61000-4-2第4級(jí)電擊中，峰值電流為30ａ的鉗位電壓和在1a脈沖作用下也有很大區(qū)別。
采用標(biāo)準(zhǔn)1a脈沖，大多數(shù)半導(dǎo)體esd保護(hù)二極管的鉗位電壓一般都會(huì)標(biāo)注在8～15v之間。但在8kv的iec 61000－4－2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中，這些二極管的峰值鉗位電壓則會(huì)達(dá)到50～100v，這是由二極管的其他特征，如動(dòng)態(tài)電阻值所決定的。
有一些esd制造商還會(huì)提供esd脈沖波形圖，但是這同樣很容易讓人誤解。例如，制造商經(jīng)常采用衰減器來保護(hù)測(cè)試儀器不受損傷。可是數(shù)據(jù)表中的波形圖并沒有將衰減器的影響包括在內(nèi)，這會(huì)使標(biāo)注的鉗位電壓存在5～10倍的誤差。
雖然不能僅僅通過大多數(shù)數(shù)據(jù)表上提供的鉗位電壓來比較esd的性能，但是，通過仔細(xì)閱讀分析它，我們卻可以了解器件的相對(duì)性能。
其他因素
被保護(hù)asic的鉗位電壓基于幾項(xiàng)因素，包括esd二極管的擊穿電壓，二極管的動(dòng)態(tài)電阻以及流過二極管的電流量。雖然數(shù)據(jù)表上標(biāo)注的鉗位電壓并不準(zhǔn)確（通過對(duì)其施加8～20μs的脈沖電壓來實(shí)現(xiàn)，與實(shí)際esd脈沖有很大區(qū)別），但是我們同樣可以恰當(dāng)?shù)乩盟鼈儊肀容^器件的性能。
在簡(jiǎn)化模型中，鉗位電壓會(huì)隨著電流線性增加，這個(gè)函數(shù)的斜率就是二極管的動(dòng)態(tài)電阻。
大多數(shù)esd器件制造商都會(huì)提供1a鉗位電壓值，動(dòng)態(tài)電阻值，或者兩個(gè)不同電流強(qiáng)度時(shí)的鉗位電壓值。這樣，我們很容易就能計(jì)算出器件的動(dòng)態(tài)電阻。例如，一個(gè)器件在1a電流下的鉗位電壓為10v，而在5a電流下鉗位電壓為15v，那它的動(dòng)態(tài)電阻就等于(15-10)/(5-1)=1.25ω
動(dòng)態(tài)電阻值是確定實(shí)際鉗位電壓時(shí)最重要的因素?？紤]兩種器件，一個(gè)在1.0a電流強(qiáng)度下具有8v鉗位電壓的器件，一個(gè)在1.0a電流強(qiáng)度下具有10v鉗位電壓的器件，哪一個(gè)在esd沖擊中的表現(xiàn)會(huì)更好？
8v的鉗制也許看起來會(huì)更好，但這或許不是真的。假如ｂ器件（10v鉗位電壓）的動(dòng)態(tài)電阻僅為1ω，而8v鉗位電壓器件的動(dòng)態(tài)電阻達(dá)到了2ω，那么30a的電流下，ａ器件的鉗位電壓就為8＋29×2＝66v，而器件ｂ卻為10 + 29×1 = 39 v。這樣ｂ就成為更好的選擇。
通過asic的電流大小也與保護(hù)電路的動(dòng)態(tài)電阻有關(guān)。當(dāng)電路的動(dòng)態(tài)電阻增加時(shí)，被保護(hù)器件中的電流也會(huì)成比例增加，從而導(dǎo)致esd損傷的可能性增大。
設(shè)計(jì)者應(yīng)該選擇一種保護(hù)器件，使它分流盡可能多的電流，并使通過asic的剩余電流盡可能的減小。這個(gè)電流會(huì)隨著系統(tǒng)的不同而不同，所以不能按數(shù)據(jù)表上的值照搬。不幸的是，很多情況下，esd保護(hù)器件制造商不會(huì)為用戶提供直接的動(dòng)態(tài)電阻值。不過這可以通過幾組鉗位電壓值來估計(jì)。
通常，esd二極管的動(dòng)態(tài)電阻在1～3ω之間，而變阻器和干擾抑制器之類的其他器件的動(dòng)態(tài)電阻則有20～40ω?？梢姡琫sd二極管是靜電放電保護(hù)的選擇。
傳統(tǒng)的esd保護(hù)措施
圖１所示是發(fā)生擊穿時(shí)，傳統(tǒng)的、單級(jí)esd保護(hù)器件所起的作用。其中包括：（1）電壓被鉗制在一個(gè)較低的水平，以盡量減小asic兩端的電壓。（2）保護(hù)器件將電流旁路至地面，避開了asic元件。（3）esd電擊結(jié)束后，保護(hù)器件將恢復(fù)到高阻狀態(tài)。有些器件，比如聚合物，可能需要24小時(shí)才能恢復(fù)到初始狀態(tài)，所以理解這個(gè)特性非常重要。
減小esd保護(hù)器件的動(dòng)態(tài)電阻將會(huì)減小asic兩端的鉗位電壓，并會(huì)減小漏電流。隨著的asic元件越來越敏感，傳統(tǒng)的esd保護(hù)方案已經(jīng)無法為一些asic提供足夠的保護(hù)。
新型解決方案
cmd的picoguard xp等方案的特點(diǎn)是一種創(chuàng)新的兩級(jí)設(shè)計(jì)，將兩級(jí)esd保護(hù)和電阻串聯(lián)，放在同一個(gè)封裝內(nèi)，以減少到達(dá)asic的電流。它的工作原理如下：
● 系統(tǒng)從級(jí)開始鉗制。級(jí)的漏電流通過串聯(lián)電阻進(jìn)入系統(tǒng)的第二級(jí)。
● 級(jí)漏電流中的大部分都被第二級(jí)從連接到asic的通路中分流，與單鉗制保護(hù)架構(gòu)相比，這樣做顯著減少了asic處的電流。通過這種二級(jí)鉗制，同樣也可以減小鉗位電壓。
在一個(gè)例子中，采用cm1231，asic的鉗位電壓從傳統(tǒng)esd二極管的6kv以下增加到10kv以上。cm1231是采用picoguard xp構(gòu)架的器件。