導言：如今，電子裝置有三大發展趨勢：采用較小的幾何尺寸，減少片上防護和適應不斷變化的應用環境，這也導致靜電（ESD）防護有了顯著地變化。在確保可靠的ESD防護條件下，保證高信號完整性的復雜度增加，這就迫使設計者在ESD防護和所期望的信號完整性之間進行平衡。

　　現今，專業集成電路（ASICs）的制造工藝使幾何尺寸已經減少到90nm或更小，因此引發ESD相關故障的電壓或電流值也已減小。簡單地說，那些更小的裝置將會受到更小的電平電壓或電流的損害。而減少片上ESD防護是增加ESD損害的一個因素，這種困境已被ESD目標規范產業委員會廣泛地宣傳。

　　確定哪種ESD防護裝置能提供最好的防護不是一件容易的事情。今天已有各種ESD防護裝置，通常人們把它們分為三個大類：

　　聚合物裝置似乎對高頻應用具有吸引力的，因為它們的亞微微法拉電容是0.05-1.0pF，但是這個低電容帶來一些不怎么引人注目的副作用。直到達到比箝位電壓高得多的觸發電壓之下一代電子設備的ESD防護和信號完整性前，一個聚合物裝置不會擊穿。聚合體的高觸發電壓和箝位電壓使得聚合物裝置對于ESD防護是不可靠的。除此之外，在電荷放電后，聚合體應該回到它的高阻抗狀態，但是這個恢復過程需要幾個小時到一天，這個時間過程使得聚合物裝置對電纜一接入就要其發揮作用的應用場合缺乏吸引力。最后，聚合體在應用中無法接受的另一個特性是：其性能在使用過程中會降低。

　　可變器和抑制器相對廉價，但是抑制器應用主要受到高觸發電壓、高箝位電壓和高阻抗特性的限制，這些特性導致傳到保護裝置的能量大部分都分流到地上去了。抑制器的另外一個缺陷是其性能在使用過程中會降低。經過單次ESD沖擊后就能觀察到其電信能發生了變化，包括電容變化。大多數抑制器在10到20次ESD沖擊后失效。

　　半導體二極管器件具有低箝位電壓，低阻抗，快速響應時間和較高的可靠性的特點。二極管傳統上相對其他解決方案還具有較高電容的特點，但是新的低于微微法拉設計，使它們成為穩定的ESD防護和信號完整性的最具吸引力的組合。

　　通常，設備賣主在比較ESD保護裝置的ESD標定情況時，提供了數據表格。事實上，這些標定值不能真實地反映裝置能多好地保護設備。舉例來說，當數據表格給裝置X的標定值是8 kV，給裝置Y的標定值是15 kV的時候，由此能不能判斷裝置Y比較好呢？保護器的ESD標定值只表明保護器本身能承受的負荷并非是設備能承受的。在許多情況，8-kV的裝置可能提供的保護比一個15-kV要好。除了保護裝置的ESD標定值，電壓值（箝位電壓）之外，沖擊ASIC的涌流（剩余電流）值也是需要重點考慮的。

　　比較的出發點：箝位電壓

　　當代的工業實踐要求發布箝位電壓，它是基于一個具有8μs上升時間和20μs持續時間的脈沖。大多數資料表明箝位電壓使用1-A脈沖，有時也采用更高電流的脈沖。有一點特別值得注意，這個脈沖不等價于具有1ns上升時間和60ns持續時間的ESD脈沖。另外在IEC 61000-4-2規定的等級4，其峰值電流為30A的脈沖沖擊下測量的箝位電壓，與電流為1-A的脈沖沖擊下測得的箝位電壓值有顯著差別。因為箝位電壓時通常是從資料表看到的可用的數據信息，所以當比較不同的ESD保護裝置時，它提供了一個好的參考值。

　　一般，半導體二極管有最低的箝位電壓峰值，而其抑制器和聚合體有相對較高的箝位電壓峰值。采用上面描述的1-A脈沖標準，大多數的半導體ESD防護二極管額定箝位電壓介于8到15伏特之間。當按IEC 61000-4-2的8千伏標準時，這些二極管顯現的典型箝位電壓峰值是50到100伏，這一現象還依賴于二極管的其他特性，如動態阻抗。相比之下，抑制器的箝位電壓能高出若干倍。典型的低電容抑制器具有的箝位電壓值變化范圍從150到500伏特。同時，由于“觸發”電壓要求高達500伏特，聚合體的使用受到它們的高箝位電壓特性的限制。高觸發要求減慢了聚合體的響應時間，這增加了對被保護裝置產生危害的可能性。總體而言，因為它們的較低箝位電壓和較快速的啟動時間，半導體二極管比聚合體或抑制器能提供更好的ESD防護。

　　剩余電流和動態阻抗

　　流經ASIC的電流量依賴于整個保護電路的動態阻抗與ASIC和其余電路的動態阻抗的比。隨著保護電路阻抗的增加，其流經被保護電路的電流量也相應增加，也相應地增加了對ASIC產生ESD損害的可能性。相反地，隨著ASIC的動態阻抗增大，流經ASIC的剩余電流將會增加。因為剩余電流是與系統相關聯的，這一值不專門在ESD防護資料表中列出。遺憾地是，很少有ESD保護廠商會標明他們生產產品的動態阻抗，但是有近似估算剩余電流和動態阻抗值的技術方法。

　　大多數的二極管廠商提供電流與電壓的關系曲線圖。雖然這些曲線圖通常使用8/20 μs脈沖而非IEC 61000-4-2 準規定的脈沖，但是他們可用作電路阻抗的一般指標。對于8/20μs脈沖，電流和電壓關系曲線完全是線性的，而且直線的斜率就是動態電阻值（Rdyn）。典型的ESD二極管動態電阻值（Rdyn）的變化范圍從低于一個歐姆到三個歐姆。聚合體也有非常低的電阻。

　　另一方面，用于高速輸入／輸出端口的低電容抑制器具有很高的動態電阻，其變化范圍是20歐姆或者更高值，這導致了被保護的ASIC電流值相對較高。事實上抑制器和變阻器從“被保護”的ASIC分流了很少的電流。因此上大部份的電流實際上傳到了ASIC。顯然，這一個特性使得他們很少被選用作ESD防護。

　　確保ESD防護的可靠性在傳統的ESD防護技術中，雖然半導體二極管提供了最好的ESD保護，但它們不能夠保護當前采用的亞微米幾何尺寸制造的最新ASICs。通過采用傳統手段進一步的減少這些裝置的箝位電壓和動態電阻則意味著增加電容量－這在高速應用中是個無法接受的取舍。一種新的ESD防護基本方法是利用新型雙箝位結構，這種結構與電感、電阻一起集成了兩級低電容二極管連同電感和一個電阻器，通過這種方式能在保持信號完整性的同時，顯著地減少剩余電流、箝位電壓并提供有效地ESD保護，如下圖：

　　ESD防護電路圖

　　當ESD沖擊發生時，電路結構中的第一級開始抑制，分流大部份的電流并減小電壓。剩余電流經過一個電阻后，沖擊第二級電路，這將進一步減小電壓，最終使流到ASIC的電流最小。

　　這種電路結構能為高速USB，高清多媒體和個人計算機設計提供ESD保護。通過片上匹配、減小偏差和EMI并改進由于集總電感引起的TDR（時域反射計效應），信號完整性得到改進。