深度回弹 ESD 电路保护二极管存在的危险

随着技术的不断进步，许多科技公司都专注于将越来越多的芯片组挤入更小的空间。结果，自集成电路发明以来，芯片组的尺寸一直在缩小。随着芯片组尺寸不断缩小，它们对静电放电 (ESD) 等不受欢迎的电压瞬变变得更加敏感。

当集成电路（ IC ）经受静电放电（ ESD）时，放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流。例如将带静电的电缆插到电路接口上时，放电回路的电阻几乎为零，造成高达数十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的 IC 管脚。瞬间大电流会严重损伤 IC ，局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。 ESD 对 IC的损伤还包括内部金属连接被烧断，钝化层受到破坏，晶体管单元被烧坏。ESD 还会引起 IC 的死锁（ LATCHUP）。这种效应和 CMOS 器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关。高电压可激活这些结构，形成大电流信道，一般是从 VCC 到地。串行接口器件的死锁电流可高达 1A 。死锁电流会一直保持，直到器件被断电。不过到那时， IC 通常早已因过热而烧毁了。电路级ESD防护方法1、并联放电器件常用的放电器件有TVS，齐纳二极管，压敏电阻，气体放电管等。

尽管有多种ESD 保护器件，但每种保护方法都相似。ESD 瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管与芯片组并联放置。如果节点上的电压超过某个阈值，二极管将导通并保护芯片组（图 1）。

图1：ESD二极管处于关闭状态（左）；ESD二极管处于导通状态并导通（右）

一些 ESD 保护器件可能会表现出暂时的负电阻，并将电压“迅速恢复”到较低的设定电压或保持电压 V H。V H和击穿电压之间的差异可以很小（浅回弹）或相当大（深回弹）。深度回弹器件可以提供较低钳位电压的好处，但存在风险。如果不考虑某些设计规范，就会出现一种称为数据闩锁的现象。在 ESD 冲击等突发瞬变事件中，二极管将迅速恢复到 V H（图 2）。但如果 V H器件的电压在信号通过的工作电压范围内，即使经过 ESD 冲击，二极管仍可保持导通状态。这被称为闩锁，并且由于多种原因可能是有害的。

第一个原因是 ESD 保护二极管不是为处理连续传导电流而设计的。这样的电流可能会损坏保护二极管，以及二极管应该保护的芯片组。第二个原因是，当二极管传导电流时，二极管两端的电压可能太低，芯片组无法正常工作。由于二极管和芯片组是并联连接的，如果二极管将电压保持在一定水平，芯片组也会保持该电压。

图 2：浅回弹（左）；深度回弹（右）

回弹越深或保持电压越低，发生闩锁的可能性就越大。为避免此问题，在使用深度回弹保护二极管时必须考虑几个设计注意事项，包括二极管低钳位的好处。

选择保护二极管时，还需要考虑低电容（C L）和低动态电阻（R DYN）。高清多媒体接口 (HDMI) 2.0 和 USB 3.1 等接口中数据速度的提高提出了对具有 C L和 R DYN 的ESD 二极管的需求。较低的 C L 可保持信号完整性并支持更快的数据速率，而较低的 R DYN允许较低的钳位电压。一般来说，C L和 R DYN之间的关系是负相关的：降低一个会增加另一个。然而，TI 的新型 ESD 二极管同时具有低 C L和低 R DYN. 二极管还具有低钳位电压的浅回弹功能，从而消除了闩锁的风险。表 1 重点介绍了二极管这些二极管的一些规格。

表 1：低电容、低 R DYN ESD 二极管

总之，深度回弹保护二极管具有在较低电压下钳位的优势。然而，这些二极管的实现需要考虑几个方面。如果未正确实施这些设计考虑，则存在可能损坏保护二极管、芯片组或两者的闩锁风险。然而，低电容、低 R DYN 保护二极管具有低钳位电压的优势，而没有闩锁风险，使其成为适用于许多接口的简单、廉价的解决方案。