在人們的日常工作生活中，靜電放電（ESD）現(xiàn)象可謂無(wú)處不在，瞬間產(chǎn)生的上升時(shí)間低于納秒（ns）、持續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)百納秒且高達(dá)數(shù)十安培的電流，會(huì)對(duì)手機(jī)、筆記本電腦等電子系統(tǒng)造成損傷。

對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，如果沒(méi)有采取適當(dāng)?shù)腅SD保護(hù)措施，所設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品就會(huì)有遭到損傷的可能。因此，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要課題便是確保使其能夠承受ESD的沖擊，并繼續(xù)正常工作。

為了給電子系統(tǒng)提供ESD保護(hù)，可以從不同的角度來(lái)著手。一種方法是在半導(dǎo)體芯片內(nèi)建ESD保護(hù)架構(gòu)。不過(guò)，日趨縮小的CMOS芯片已經(jīng)越來(lái)越不足以承受進(jìn)行內(nèi)部2 kV等級(jí)的ESD保護(hù)所需要的面積。真正有效的ESD保護(hù)是不能完全集成到CMOS芯片之中的！

其次，也可以在物理電路設(shè)計(jì)方面下功夫，較敏感的電路元件應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離通孔或接縫處，如果可能的話，線纜連接器的接地應(yīng)該要在系統(tǒng)信號(hào)引腳接觸前先連接到系統(tǒng)的接地，通過(guò)這樣的方式，線纜上所發(fā)生的放電事件就比較不會(huì)造成干擾或破壞。

此外，軟件也能夠?yàn)镋SD設(shè)計(jì)作出貢獻(xiàn)。系統(tǒng)連接的感測(cè)器比較容易受到ESD的沖擊，造成接口電路的鎖住情況，而能夠感測(cè)鎖住情況的軟件則可以用來(lái)重置接口電路且無(wú)須操作人員的接入。

不過(guò)，總是有部分電路點(diǎn)較為敏感，同時(shí)也很難與外部隔離。因此，最有效的方法是使用保護(hù)元件來(lái)將電流導(dǎo)離較敏感的元件。也就是在電子系統(tǒng)的連接器或端口處放置ESD保護(hù)元件，使得電流流經(jīng)保護(hù)元件，且不流經(jīng)敏感元件，以維持敏感元件的低電壓，使其免受ESD應(yīng)力影響，進(jìn)入有效控制ESD事件的發(fā)生。當(dāng)然，合格的ESD元件必須具有低泄漏和低電容，且在多重應(yīng)力作用下功能不下降，從而不降低電路的功能。

一般而言，ESD保護(hù)元件的分類可以通過(guò)其保護(hù)策略與方向性來(lái)進(jìn)行，主要包括壓敏電阻、聚合物和瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）等。在這幾種保護(hù)元件中，壓敏電阻在低電壓時(shí)，呈現(xiàn)出高電阻，其中的每個(gè)小型二極管兩端的電壓都相當(dāng)?shù)?，同時(shí)電流也相當(dāng)??；而在較高電壓時(shí)，其中的獨(dú)立二極管開(kāi)始導(dǎo)通，同時(shí)壓敏電阻的電阻會(huì)下降。而對(duì)于帶導(dǎo)電粒子的聚合物而言，在正常電壓下，這些材料擁有相當(dāng)高的電阻，但當(dāng)發(fā)生ESD沖擊時(shí)，導(dǎo)電粒子間的小間隙會(huì)成為突波音隙陣列，從而帶來(lái)低電阻路徑。

瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）則為采用標(biāo)準(zhǔn)與齊納二極管特性設(shè)計(jì)的硅芯片元件。TVS元件主要針對(duì)能夠以低動(dòng)態(tài)電阻承載大電流的要求進(jìn)行優(yōu)化，由于TVS元件通常采用集成電路（IC）方式生產(chǎn)，因此我們可以看到各種各樣的單向、雙向及以陣列方式排列的單芯片產(chǎn)品。

利用屏幕截圖和TLP進(jìn)行ESD保護(hù)元件的大電流性能鑒定Ashton博士說(shuō)在正常工作條件下，ESD保護(hù)元件應(yīng)該保持在不動(dòng)作狀態(tài)，同時(shí)不會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)的功能造成任何影響，這可以通過(guò)維持低電流以及足以在特定數(shù)據(jù)傳輸速率下維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的低電容值來(lái)達(dá)成。而在ESD應(yīng)力沖擊或者說(shuō)大電流沖擊條件下，ESD保護(hù)元件的第一個(gè)要求就是必須能夠正常工作，要有夠低的電阻以便能夠限制受保護(hù)點(diǎn)的電壓；其次，必須能夠快速動(dòng)作，這樣才能使上升時(shí)間低于納秒的ESD沖擊上升時(shí)間。

眾所周知，對(duì)于電子系統(tǒng)而言，它必須能夠在IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下存續(xù)。雖然大部分的ESD保護(hù)元件都宣稱能夠承受IEC 61000-4-2所指定的應(yīng)力沖擊等級(jí)，如8 kV或第四級(jí)（Class 4），但業(yè)界卻沒(méi)有公認(rèn)的ESD保護(hù)元件大電流抑制特性測(cè)試的合格標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此，雷卯電子給出了自己的定義，也就是在±10 kV應(yīng)力電壓 （高于8 kV）測(cè)試下，被測(cè)器件仍然符合其數(shù)據(jù)表規(guī)范，且器件特性沒(méi)有顯著變化。

不過(guò)，要比較不同ESD保護(hù)元件的大電流抑制特性，還需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試鑒定。而通過(guò)對(duì)不同ESD保護(hù)元件施加大電流沖擊所產(chǎn)生的波形的屏幕截圖對(duì)比，是重要的第一步。

半導(dǎo)體的TVS元件可以迅速將ESD應(yīng)力降低，即從8 kV靜電電壓鉗位到5至6 V的水平；但壓敏電阻的曲線則下降得很慢，而且無(wú)法降到很低的水平。該曲線表明，TVS器件的恢復(fù)時(shí)間非常短，經(jīng)過(guò)TVS器件泄漏到后面電路的能量也非常少，特別適合于便攜式設(shè)備的應(yīng)用。

而在多重應(yīng)力條件下，兩者的差別就表現(xiàn)得更為突出。由于TVS采用二極管工作原理，受到電擊后，會(huì)立即擊穿，然后關(guān)閉，對(duì)器件沒(méi)有損傷，因此可以說(shuō)沒(méi)有壽命限制。對(duì)于壓敏電阻而言，它采用的是物理吸收原理，每經(jīng)過(guò)一次ESD事件，材料就會(huì)受到一定的物理?yè)p傷，形成無(wú)法恢復(fù)的漏電通道；而且，要達(dá)到更好的吸收效果，就要使用更多的材料，使其體積增加，進(jìn)而限制了在今天小型化產(chǎn)品當(dāng)中的應(yīng)用。

有鑒于此，雷卯電子打了一個(gè)比方，也就是在ESD保護(hù)方面，壓敏電阻保護(hù)施展的是“少林功夫”，用“身體（壓敏電阻）”去硬扛，會(huì)讓自己“很受傷”，而TVS耍的是“太極拳”，在ESD應(yīng)力沖擊IC之前，就將沖擊力給“引導(dǎo)開(kāi)”或“消減掉”。

兩相對(duì)比，其結(jié)果是在施加1，000次8kV IEC 61000-4-2 ESD脈沖條件下，半導(dǎo)體的TVS元件的漏電流小于0.1 μA，而壓敏電阻在少于20個(gè)ESD脈沖下漏電流就會(huì)超過(guò)100 μA。由此可見(jiàn)，在重復(fù)ESD應(yīng)用作用下，TVS仍能維持極高的性能，而壓敏電阻的性能會(huì)隨之下降，聚合物也面臨著跟壓敏電阻類似的問(wèn)題。

不過(guò)，用示波器對(duì)不同保護(hù)元件在ESD應(yīng)力沖擊測(cè)試下的大電流抑制特性或者說(shuō)是I-V曲線進(jìn)行屏幕截圖對(duì)比也存在不足之處。首先便是這種屏幕截圖上的V（t）與I（t）的變化非常復(fù)雜，且并不能測(cè)量擊穿電壓、維持電壓、維持電流以及二次擊穿電流等基礎(chǔ)參數(shù)，而通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析可以找到電路設(shè)計(jì)和工藝的弱點(diǎn)。

在這種情況下，采用傳輸線路脈沖（TLP）方法就是很好的下一步。所謂的TLP測(cè)試，就是一種利用矩形短脈沖（50~200 ns）來(lái)測(cè)量ESD保護(hù)元件的電流-電壓特性曲線的方法。這個(gè)短脈沖用來(lái)模擬作用于保護(hù)元件的短ESD脈沖，而恒定阻抗的傳輸線路可以生成恒定幅度的方波。TLP測(cè)試通過(guò)方波測(cè)試脈沖加到待測(cè)器件（DUT）的兩個(gè)引腳之間進(jìn)行測(cè)試。TLP測(cè)試前要先對(duì)電路中的傳輸線路充電，測(cè)試時(shí)將被測(cè)器件接入，傳輸線路通過(guò)被測(cè)器件放電。改變電路和輸入電壓和傳輸線路的長(zhǎng)度可以模擬在不同能量中的ESD脈沖，從而得到器件的ESD大電流抑制能力。TLP測(cè)試先從小電壓脈沖開(kāi)始，隨后連續(xù)增加直到獲得足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以作出完整的I-V曲線。通常測(cè)試脈沖的幅度會(huì)加大到使DUT徹底損傷為止，作而獲得其精確的允許最大脈沖電流。

總的來(lái)看，ESD保護(hù)元件的TLP測(cè)試方法優(yōu)勢(shì)突出，不僅可以確認(rèn)屏幕截圖數(shù)據(jù)，還可用于解析ESD保護(hù)元件的基礎(chǔ)參數(shù)，非常適用于對(duì)不同保護(hù)元件進(jìn)行對(duì)比。

結(jié)合ESD脈沖測(cè)試和TLP測(cè)試，我們可以得出結(jié)論，在不同ESD保護(hù)元件中，TVS元件，特別是半導(dǎo)體的TVS元件的大電流導(dǎo)電率極佳，且在重復(fù)應(yīng)力條件下仍能維持優(yōu)異性能，不存在壓敏電阻或聚合物那樣的使用增多后會(huì)出現(xiàn)性能下降的問(wèn)題；至于其在電容方面的不足，也隨著新的低電容設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，而消除了早前的大電容問(wèn)題。

fqj