现代设计中，ESD已经被众多设计人员重视。就此，本文讨论了ESD问题及相关的解决方案。

高集成度ESD解决方案

随着IC制造技术的提升，芯片的集成度越来越高，芯片的功耗不断降低。而芯片特征尺寸（栅氧化层厚度和沟道长度）的减小，要求更低的最大门极电压和源漏极电压。因此设备开发商在开发符合消费类电子标准的产品时，必须解决由于ESD或其它放电问题引发的现场高退货率问题。同时，芯片设计和优化的目标是性能和成本，因此采用外部ESD保护器件是最佳的解决方法。

为了实现系统的最优化和最佳的性价比，需要设计人员从方案的经济性、可靠性以及可维护性等多个方面出发，找到最佳的结合点（如图1所示）。因此采用高集成度ESD解决方案符合未来发展趋势。恩智浦半导体的PRTR系列产品，提供了轨到轨保护，可适用于USB等高频应用，IP系列产品则针对各种特殊应用和接口开发，并对传输线和接口的阻抗、EMI等进行了优化。

图1 P87C591的功能框图(略)

离散与集成型ESD保护器件

单路ESD保护器件

单路ESD保护器件最为常用，几乎可以用于各种信号线的保护，其使用灵活方便。PESD5V0S1BL是恩智浦半导体提供的首颗5V双向ESD保护管，它采用了相当于0402大小的SOD882封装，完全符合IEC61000-4-2标准，ESD保护能力高达30kV，完全可以替代压敏电阻，而且无需对PCB进行任何修改，可大大降低设计难度，减少开发时间。

ESD阵列

对于具有较多线路且集中的应用，通常采用ESD阵列，它的集成度较高，简单易用，是单路成本最低的解决方案。如，具有4路信号线的SIM卡的保护，可以采用具有较小封装SOT665的PESD3V3L4UW系列。而IP4044CX8系列产品集成RF抑制功能，可用于防止手机基带RF干扰。

对于手机或其他电子设备中经常使用的LDC、摄像头、I/O连接器等，可以选用多颗单路、4路或5路的ESD阵列，同样可以根据信号传输速率的要求，选用不同线电容的产品。此外，集成EMI的产品可提供EMI滤波功能，使图像更清晰、定位更准确或声音更悦耳。上述产品的特色是多通道间的电容具有极佳的一致性，其滤波曲线的目标值在800MHz到3GHz的RF频段内，可实现-30dB滤波。

多路ESD阵列

现代设计中常用的存储设备通常需要热插拔能力，因此对ESD具有高敏感性，必须进行ESD防护。对于SD卡、miniSD卡或T-Flash卡可以使用多路的ESD阵列（如，PESD5V0L6UAS），还可选用专用的解决方案如IP4052CX20等，如图2所示，IP4052CX20内部除了集成ESD和EMI外，每一路都集成了上拉电阻，因此可以用一颗芯片代替十几个元器件，从而减少PCB面积并降低布线难度。

图2 IP4052CX20芯片内部电路示意图(略)

单路器件具有很大的灵活性，而集成电路则具有专用性和小体积的优点，其不同型号芯片间的差异较小，工程师在选用时应与供应商联系，以获得更优化的设计方案。

HDMI接口的ESD保护方案

HDMI是目前唯一的消费类电子电器的数字接口，它可以传输未压缩的高清晰或高分辨率多通道数字音像信号、智能格式和命令数据，可以把DVD播放机的纯数字信号传输到数字电视等接收端。

图3 HDMI接口的ESD保护方案(略)

HDMI接口集成了多达8个音频、5个视频和3条通信线，所有的信号仅通过一条密封的电缆线进行传输，同时支持热插拔，而这意味着对ESD具有更加严格的要求，如，纳秒级二极管开关速度、小于1pF的线电容等。

完整的HDMI接口ESD保护方案，包括8条超高速信号线和一个I 2 C接口。较简单的方法是采用两颗PRTR5V0U4D提供差分线保护，一颗PESD5V0S2BT提供I 2 C保护。而更好的解决方案是采用IP4776CZ38芯片，它是专为HDMI应用开发的芯片，功能更加完整，内置的保护器件的线电容低至0.47pF，不会对信号完整性产生影响。此外由于内置了电平转换器和反相驱动保护电路，防止了因为接收端和发送端的电平差异造成的芯片损坏。与此同时，其引脚定义与排列方式同HDMI一致，便于设计和布板。

由上述可见，IP4776CZ38完全满足HDMI1.3标准的要求，内部集成的功能使之可以替代20多个分立元器件。

其他消费类电子保护方案

对于欧洲标准接口之一的SCART接口，最简单的保护方案是采用一颗5路保护器件和一颗7路保护器件，并适当连接，使其工作在背对背的状态，从而实现对10条线的保护。
IP4273系列芯片适用于VGA/Video接口，芯片内部集成RGB终端电阻，用于DDC和H/V-sync的EMI滤波器电路以及下拉电阻。每个引脚均可承受5kV的ESD冲击，而线电容仅为5pF（如图4所示）。

图4 VGAESD保护芯片(略)

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问答选编

问：就手机产品而言，不同的温度和湿度环境，对ESD性能有何影响?

答：温度过低、过高都会影响结温，ESD保护在本质上与二极管PN结特性有关，因此受温度影响，ESD特性会变差。

问：E SD保护器件的可靠性如何? ESD的响应时间是多少?尖脉冲通过ESD保护器件后的剩余电压有多高?

答：针 对IEC的标准，其尖峰上升时间为0.7-1ns，因此 要 求极高的ESD保护器件响应速度。另外，尖峰 脉 冲经过保护后的剩余电压，可以作如下 选择: 1.因 为尖峰时间非常短，大部分器件不受尖峰的影响， 单个ESD管保护后的瞬时尖峰电压仍可高达数百 伏；2. 对极短时间尖峰脉冲敏感的器件，可以选择 带 PI型结构的ID，其尖峰值可以限制在二极管钳 位电压附近。

问：PESD5V0S1BL和PESDxL4UG的ESD额定值不同，它们的工艺是否也不一样?

答：工艺是有些差异，这里所说的差异指结深与结面积 不同。另外，保护线路不同，S1中的１表示保护1路，L4中的４表示保护４路，也就是说在同一封装 中有４个TVS管构成的阵列。此外，ESD器件在本 质上是分立元件，没有线宽或MOS概念。

问：请问在PCB上使用分立和集成保护器件，需要注意什么？

答：ESD保护器件选用的基本原则：保护管尽量靠近接口；保证良好的接地。此外，对于小尺寸的保护管，建议不要太靠近PCB边缘。

问：对于ESD保护二极管，什么时候采用离散型，什么时候采用集成型？是根据尺寸还是ESD保护电压 选 择?

答：ESD器件主要根据您的应用进行选择，所以可以灵活应用单路、双路及多路保护器件。而针对USB、 HDMI等特殊接口，NXP推出了高集成性的ESD器 件 ，达到良好的保护效果并节省了布板面积和成本。

问：现在很多IC在内部集成了ESD保护，这类器件是否还需要外加ESD?为什么?

答：一般的IC会内置2kV的HBM ESD保护标准，但更 新制程的IC通常很难达到这个标准，这时就需要外置的ESD保护器件进行保护。此外，IEC的接触式ESD保护标准要求达到8kV，因此如果要通过测试，也需要额外的ESD保护。

问：应 用在LCD连接器、SD存储器及多媒体卡中的ESD保护器件有何不同?应用时应如何选择ESD保护器件?

答：要考虑速率和信号电平，所加的ESD器件不能影响数据传输。

问：USB2.0的传输速率高达480Mbp，NXP的ESD保护器件对速率有多大影响?它的电容值最小能达到多少?

答：针对超高速接口如USB2.0、HDMI及DVI等，NXP提供PRTR系列产品，其线电容 <1pf。经过测试，在加 入此类产品后USB信号眼图未发生变化，因此对SI没有影响。

问：普通二极管、肖特基管和TVS有何不同?都能用作ESD保护吗?

答：可以，但应用的领域有所不同。

一般的稳压二极管只用于稳压，其特点是有较精确的击穿电压，能承受的电流不大。稳压二极管的 击 穿电压标称值齐全，可以从几伏到几百伏。
T VS也可用于保护，可以在特定电压下被击穿，使电路免受高压损害。它能承受的瞬时电流很大，可达几十安。

问：ESD保护器件的应用，是否也有频率范围的限制? 一般频率范围是多少?

答：ESD器件有分布电容，它会影响高速信号的上升沿和下降沿，所以要选择适当的分布电容，使ESD器 件不影响信号的一致性。

问：对于手机按键的保护，应采用哪种方案？每个按键是否均需添加ESD保护 器件？

答：一般地说，要取决于具体电路，主要是被保护的路数及PCB面积。NXP提供一系列产品，若采用单 路0402封装，可选用PESD3V3S1UL。

问：在扬声器放大器部分采用EMI器件后，原来电路中采用的交流耦合电容值是否需要调整？如何调整?

答：串联电阻值和分布电容会影响音频频响，可据此调整电容值。

问：芯片的I/O容易受ESD影响，应如何通过连接二极管保护电路避免？

答：在应用中，将ESD二极管的负极与需保护的信号线 相连接，正极与地线连接。在PCB排板时，应尽可能将ESD二极管靠近I/O口。而在选用时，应考虑工作电压、速率、路数及封装等。

问：手机中抑制EMI的器件主要用在哪几个部分?它对脉冲信号的影响有多大?

答：在手机应用中，对于基带部分，RF是有害信号。故ESD+EMI器件常被用于基带的各个部分（尤其是接口及接插件部分），只要选用合适的产品，就不会 对脉冲产生影响。