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維安SCR結構TVS驚艷出道!應用于高速信號端口ESD防護最優方案來了

隨著電子設備智能化的發展，人們對智能設備的依賴越來越高。然而，日常生活中無處不在的靜電給電子設備帶來多樣化的考驗，如何進行有效的ESD防護已成為電子設備制造商面對的重要課題。常見的ESD事件包括秋冬季節去觸摸門把手時，伴隨著靜電響聲，指尖的那一下刺痛;北方冬季脫掉外衣時噼里啪啦的靜電響聲;遠處拖拽來的長網線插向路由器時的那一道短暫的弧光等。

在經歷ESD襲擊后，人會有痛感，但不會形成“缺陷”，這歸功于人體對地的電阻足夠大，靜電電壓無法形成大電流造成損傷。而靜電進入電子設備后所經過的路徑并不都能提供足夠大的電阻來防止損傷，元器件內部薄弱的柵氧化層或反向偏置的PN結會成為靜電泄放路徑，靜電電壓將這些部位擊穿，并形成大電流燒毀所經過的薄弱點，從而將元器件損壞，造成電子設備整體功能失效。設備中的USB2.0、HDMI1.4、USB3.x、HDMI2.0等高速數據端口，對ESD事件尤為敏感，是ESD防護設計的難點，也對端口處使用的TVS器件設計提出了極高的要求。

首先，為了提升用戶感受，端口傳輸速率不斷提升，以正在廣泛應用的USB3.1高速數據端口為例，USB3.1 Gen1在SuperSpeed工作模式傳輸速率達5 Gbps，而USB3.1 Gen2傳輸速率則高達10Gbps。超高的數據傳輸速率要求端口負載非常小，端口處使用的TVS要有超低電容值。其次，小型化需求及芯片設計技術、制造工藝技術、IP設計技術的提升，使得芯片集成度不斷提高，越來越多的設計將CPU、通訊協議芯片、Phy芯片通過SoC設計技術集成到一顆芯片中;所使用的工藝制程節點也越來越小，如早期USB3.0協議芯片和Phy芯片工藝制程節點為65nm，現已降至28nm工藝制程，部分SoC產品已用到了10nm~14nm工藝制程。即面對ESD沖擊需要TVS保護的Phy芯片使用了與CPU相同的工藝制程，增加了ESD防護設計難度。工藝制程的縮小對應制造工藝中的柵氧化層越來越薄、反向偏置的PN結面積越來越小，ESD耐受能力變弱，要求TVS需要提供足夠低的鉗位電壓來保護SoC芯片。再次，越來越多的同一應用會出現多個SoC芯片供應商的方案，芯片間在設計技術和工藝技術方面會存在一定差異，導致芯片端口的ESD耐受能力不同。為保障不同整機方案都能具有滿足應用的ESD指標，就需要TVS器件能夠覆蓋對最弱耐受能力SoC芯片的ESD防護，因此，TVS需要提供足夠低的鉗位電壓。

應用于高速信號端口ESD防護最優方案

SCR結構TVS是保障通流能力、降低電容和降低鉗位電壓的最優方案。

圖1 SCR結構TVS剖面結構示意圖

如圖1，SCR結構由P型摻雜、Nwell、Psub&Pwell、N型摻雜構成PNPN四層結構，包含兩個寄生三極管：由P型摻雜、Nwell、Psub&Pwell構成的PNP三極管和由Nwell、Psub&Pwell、N型摻雜構成NPN三極管。SCR結構陽極(Anode)端口接被保護的信號端口，陰極(Cathode)通過連接降容管接低電位，當陽極有ESD高電壓到達時，Nwell與Pwell構成的J2結被擊穿，流經R1上電流增加到使P+與Nwell結正偏或流經R2上電流增加到使得Pwell與N+結正偏，且ESD事件持續時間內可以為SCR結構提供充足的電流，SCR結構進入閂鎖狀態。

SCR結構進入閂鎖狀態后，PNP 三極管和NPN三極管先后進入放大狀態， Nwell與Psub&Pwell構成J2結的擊穿不再起主要作用，整個SCR結構的電壓出現衰退，器件進入“負阻”狀態，提供鉗位電壓可低至1V，該負阻特性也被稱為“驟回”。

圖2 器件進入閂鎖狀態和退出閂鎖狀態特性曲線

如圖2所示，通過輸入增加電流可以測試得到SCR結構TVS進入閂鎖狀態的導通電壓(VBO)和導通電流(IBO)，降低電流可以測試得到退出閂鎖狀態的維持電壓(VHOLD)和維持電流(IHOLD)，TVS整體可提供低至1V~3V的鉗位電壓。

信號端口被保護的SoC芯片要求TVS在ESD事件時提供安全的鉗位電壓，邊界條件為：

(1)TVS鉗位電壓要小于SoC芯片端口耐受極限電壓;

(2)鉗位電壓越低越好。

在閂鎖狀態時，SCR結構TVS將端口電平鉗位在“VHOLD+Rd*I”電壓，SCR結構強大的泄放能力保證為后級被保護SoC芯片提供有效的鉗位電壓，整機測試時達到較高的ESD防護等級。那么，在ESD事件結束后，SCR結構TVS是否能夠確保退出閂鎖，恢復到高阻低漏流狀態呢?

SCR結構退出閂鎖狀態的條件，需要滿足以下兩個條件中任一個：

(1)信號端口為閂鎖結構提供的電壓小于維持電壓;

(2)信號端口為閂鎖結構提供的電流小于維持電流。

高速信號端口因有以下兩方面特性，可以確保SCR結構TVS能夠順利退出閂鎖，恢復到高阻低漏流狀態。一方面，高速信號端口在電流和電壓方面都“能力有限”，可選取VHOLD和IHOLD都大于信號端口輸出能力的絕對安全的SCR結構TVS，保證閂鎖順利退出;另一方面， ESD事件時，系統檢測到數據傳輸受阻，會給出重發數據包指令或重啟指令，從而改變信號端口電平，使得端口提供的電壓無法滿足SCR結構的“閂鎖需求”，退出閂鎖狀態。

系列產品+定制開發，賦能客戶

整機ESD設計的測試等級要求越來越高，通常測試非接觸式的的空氣放電2kV、4kV、6kV，逐漸提升至空氣放電8kV，更有甚者，為了進一步降低售后返修率，要求整機各個端口測試接觸模式8kV，ESD能量直接進入到端口內部，TVS器件需要展現強大泄放能力和足夠低鉗位電壓。