因为要求高集成度、快速度和小体积，如今的新兴电子产品都使用基于先进深次微米制程的芯片。但制程越先进，芯片对ESD耐受度也就越差。当这些电子产品在实际环境下受到ESD冲击时，IC内部更容易受到损害，因此电子产品中的ESD保护越来越重要。为帮助读者清晰了解电子系统的ESD保护设计思路和解决方案，针对触摸屏和指纹识别人机界面、HDMI等高速接口电路等热点应用的ESD保护策略，现特别邀请到了台湾晶焱科技股份有限公司研发部协理姜信钦博士来分享他的设计经验。

目前主流的ESD保护元件是什么？

    目前主流ESD保护元件分成两种，一种是传统以陶瓷材料所制作的变阻器(varistor)，另一种是用半导体材料制作的瞬态电压抑制器(TVS)。传统的变阻器的反应速度很慢(大于35ns)、箝制电压高，所以保护效果非常有限，常常会发生被保护元件受损而变阻器健在的情况。TVS的导通速度快、箝制电压很低，其保护效果非常好，因此用TVS作为ESD保护元件已成为电子产品设计的主流趋势。不过，TVS的单价比变阻器高，目前都是通过TVS Array(阵列)来降低成本。

 在IC中集成ESD保护功能与独立的ESD保护方案，哪一种更有优势？

     目前IC讲究速度快、集成度高，所以利用深次微米制程来制作IC。深次微米芯片的面积寸土寸金，若要在芯片内集成ESD保护元件需要很大的面积，所以不符合成本考虑。此外，在芯片内部集成系统级的ESD保护元件在技术上较难实现，不仅需要适当选择保护元件种类(如NPN、 PNP等)，更需要芯片厂配合调整制程参数才可能实现。因此，若利用到深次微米工艺制作IC，较适合采用独立的ESD保护元件。

      如果不考虑成本和技术门槛，在IC内部集成系统级ESD保护元件，可以使电子产品的设计更加简洁，外围元件数目更少，并缩短电子产品开发时间、降低成本。当采用独立的ESD保护元件时，系统工程师需要在PCB布局布线与TVS种类选择上进行数次反复，才能达到设计要求，这会延长电子产品的开发时间。

      晶焱科技累积了数十年的ESD保护设计经验，成功开发了具有系统级ESD接触模式8kV保护元件的HDMI开关。这是全球第一颗将此ESD保护规格集成到高速传输(2.25Gbps)的TMDS线对中。此外，晶焱科技还开发了具有强大雷击浪涌保护的RS485收发器。此收发器内部整合了具有ESD接触模式30kV保护的TVS，且其雷击防护能力高达37A，是目前雷击防护功能最强大的RS485收发器。

 触摸屏和指纹识别人机界面的ESD保护设计思路是什么？

     触摸屏及指纹识别系统在设计上会有三到五条不等的排线经由面板到连接器。在系统级ESD测试时，电压冲击会经由面板周围耦合到排线上，再由连接器到达控制器。若控制器对电压冲击的抑制效果不良，可能导致功能暂时异常甚至永久损坏。因此，在ESD保护设计上，需在连接器附近加上ESD保护元件，以便及时吸收ESD能量。在PCB布局上，ESD保护元件与控制器的相对位置很重要。排线从连接器出线后，必须有ESD保护元件，后端再布置控制器，这样控制器可以受到更完整的保护。在选择ESD保护元件时，TVS的线路电容必须小于3pF，以不影响触摸灵敏度及指纹识别的灵敏度。

     对于USB 3.0、HDMI 1.3、DisplayPort、高速以太网等高速接口，如何平衡信号完整性和ESD保护的可靠性？

     为这些高速接口进行ESD保护设计时，系统工程师需要注意以下四个关键点。第一，采用TVS Array保护元件，这样才可以用最少的元件数来缩小PCB的空间及降低PCB的寄生阻抗。第二，ESD保护元件的线路电容要足够低，比如USB3.0接口要求该电容小于0.3pF，HDMI 1.3接口要求小于0.6pF，HDMI 1.4要求小于0.5pF ，DisplayPort要求小于0.6pF，10/100M LAN也需要用线路电容小于3pF的ESD保护元件。只要保护元件的线路电容足够低，信号完整性就不会受到影响。第三，ESD保护元件的箝制电压必须足够低，才能使系统在ESD事件发生时还能不受干扰地正常工作。至于要多低的箝制电压才够，则需根据系统的噪声免疫能力而定。如果难以确定合适的值，可以通过测试结果来判断。第四，ESD保护元件在系统上的布局要离接口端越近越好，因为当接口直接或间接受到ESD冲击时，保护元件能够就近有效地将ESD能量释放，而不会影响到内部电路。

 电源线的ESD保护设计的关键是什么？

     电源线ESD保护的性能标准由IEC 61000-4-2 Level-4定义，ESD测试电压值必须是接触放电8kV，气隙放电15kV，所以选用的ESD保护元件必须要能承受此电压水平的ESD冲击而不会被破坏。这是一个基本要求。但真正重要的是，产品的失效标准选用哪一种呢？在过去，Class-C(ESD冲击后需手动复位)就足够了，但随着产品质量的提升要求，现在至少要求选用Class-B(ESD冲击后系统会自动恢复)，甚至会要求选用Class-A(ESD冲击后系统不会观察到任何异常动作)当失效标准。这时，还需以箝制电压的高低来当作选用ESD保护元件的依据。箝制电压越低，则更有机会通过Class-A的ESD测试，因此ESD保护元件的关键性能指针就是低箝制电压。

     保护元件在电源布局设计分为两种情况。若电源线有输出或输入接口，保护元件应该离接口位置尽可能近。若电源并没有接口(可能通过电源IC输出)，保护元件应该设计在ESD敏感元件最近的位置。

     晶焱科技提供哪些产品方案和技术支持以帮助客户的电子产品能经济地满足 IEC 61000-4-2 Level-4要求？

     晶焱科技的TVS产品适用于所有电子产品，目前主要包括个人计算机、监视器、手持式电子设备(如手机、PDA、MP3等)。在个人计算机方面，我们提供USB3.0、 HDMI、LAN、e-SATA、VGA、DVI、相机、指纹、电源线、IEEE1394等I/O接口的ESD保护方案，并提供对应的PCB联机布局建议。在监视器部分，我们提供复合视频、音频、S/PDIF、SCART、CATV/天线、DisplayPort、YpbPr、S视频 (与个人计算机重复部分不再列出)等I/O接口的ESD保护方案，以及系统工程师的设计支持。在手机应用方面，我们提供显示屏、SIM卡/外置存储器卡、键盘、电池、底部连接器、USB/扩展坞、扬声器、耳机/麦克风、音频接口、天线等I/O接口的ESD保护，其中包含了EMI抑制解决方案。

     除了以上三种最常见的电子产品外，家电产品(常见的有收音机、排油烟机、耳温qiang等)也会使用ESD保护元件，以便通过安规测试等。甚至针对未来家中将安装的智能电表，晶焱科技都已经开发了相对应的ESD保护元件。

 晶焱科技的ESD保护产品最大卖点是什么？

     晶焱科技的ESD保护元件的卖点就在于其拥有最低箝制电压，最低的箝制电压就代表对系统的保护能力最强。晶焱科技是第一个强力介绍并建议系统设计工程师以ESD箝制电压的高低为选用标准的公司。许多人喜欢选用能承受高ESD冲击水平而不会损坏的保护元件，但这就好像是在选用贴身保镖一样，如果保镖孔武有力，但却不愿为你挡刀子、挡qiang弹，那他对你就毫无保护效果。选用ESD保护元件也是同样道理。如果选用一个能承受很高的ESD冲击水平而不会损坏、但无法提供足够低ESD箝制电压的保护元件，当ESD冲击系统时，常见的情况是，ESD保护元件安然无恙，但系统中一些主要IC已受损。