在高速数据率下,低电容ESD保护对于保持USB2.0,IEEE 1394以及ITV操作中使用的DVI和HDMI协议的数据完整性非常关键。为实现良好的ESD保护,应该选用具有什么特性的保护器件呢?布局布线又有什么特殊要求呢?本文给出详细分析。
尽管现有的各种抑制器均能够提供有效的ESD保护功能,但不能以牺牲系统的信号完整性为代价。因此,在把ESD抑制器引入电路设计之前,必须对其电容有所考虑。具有极低电容值的ESD抑制元件(如PESD器件)能够在提供ESD保护功能的同时保持高速数据信号的数据完整性。由于传输*高速率的不同,不同的数据接口所能接受的*高电容是不一样的。譬如,USB2.0数据线上的寄生电容一般控制在10pF以内,而DVI或HDMI数据接口要求则更低,通常低于1pF(图2)。
高速信号和瞬变(如ESD)还带来了另一个寄生特性—电感。尤其值得关注的是用来实现连接器、芯片及其他任何配套元件之间互连的电路板上迹线的寄生电感。与电容效应相似,由电路板迹线所产生的电感将不会影响低频信号。但是,在高速条件下,这种电感将产生有可能影响信号完整性的阻抗分量。当高频信号(如ESD)通过时,少量的迹线电感可能转换成巨大的阻抗。设计师可通过在ESD抑制器和受保护芯片之间设置尽可能大的距离的方法来利用上述特性来完善ESD器件和IC本身间的协同、偶合。
低电容ESD保护对于高速条件下保持数据的完整性是非常关键的。在常见的瞬间过电压抑制器件中,金属氧化物压敏电阻(MOV)和多层压敏电阻(MLV)因价廉物美而应用广泛。但其固有的高电容决定了其应用范围只能局限于低频领域和电源的瞬间电压抑制上。而硅类ESD防护器件,包括齐纳二极管、TVS二极管/阵列等,虽然具有保护电压低而准确的优点,其寄生电容依旧不可忽视,通常难以适用于高速数据通讯接口,如HDMI,ieee1394等。
为满足高速数据通讯接口既ESD保护有效、又不影响高速信号传输的要求。近年来,市场上推出了多种专门适用于此类保护要求的器件。其中以瑞侃电路保护部门(RCP:RaychemCircuitProtection)推出的PESD器件为代表。该器件的电容极低(通常0.25pF),漏电流极小(<0.001A);ESD防护快速有效(响应曲线如图3所示,触发电压典型值为150~250V;响应时间少于1ns);价格低于低电容硅器件。因此,在高速数据传输条件下,PESD器件拥有更佳的保护应用特性。该器件已成功应用于HDMI1.3和USB2.0等多种高速接口电路。
图4、图5和图6展示了利用瑞侃电路保护部门PESD器件对HDMI1.3、USB2.0和IEEE1394接口电路进行保护的典型应用。这些保护将ESD与敏感电路隔离。在传输线路脉冲(TLP)测试和IEC61000-4-2测试中,尤其是经过多次采样(1000次TLP测试)后,其性能要比其他可比较的元件好。相对于其他典型的聚合物ESD防护器件,这类PESD器件的较低触发电压(通常150V)和低箝位电压(通常25V)能更好的帮助保护敏感电子元件。该器件采用电子工业中*流行的0603和0402贴装形式,符合RoHS的严格要求;帮助机顶盒敏感电路、手提电脑、手机和其它便携式设备免ESD侵害。
