TVS二極管:為便攜電子設(shè)備提供有效的ESD保護

　ESD保護對高密度、小型化和具有復(fù)雜功能的電子設(shè)備而言具有重要意義。本文探討了采用TVS二極管防止ESD時，最小擊穿電壓和擊穿電流、最大反向漏電流和額定反向關(guān)斷電壓等參數(shù)對電路的影響及選擇準(zhǔn)則，并針對便攜消費電子設(shè)備、機頂盒、以及個人電腦中的視頻線路保護、USB保護和RJ-45接口等介紹了一些典型應(yīng)用
　　
　　隨著移動產(chǎn)品、打印機、PC，DVD、機頂盒(STB)等產(chǎn)品的迅速發(fā)展，消費者正要求越來越先進的性能。半導(dǎo)體組件日益趨向小型化、高密度和功能復(fù)雜化，特別是像時尚消費電子和便攜式產(chǎn)品等對主板面積要求嚴格的應(yīng)用很容易受到靜電放電的影響。一些采用了深亞微米工藝和甚精細線寬布線的復(fù)雜半導(dǎo)體功能電路，對電路瞬變過程的影響更加敏感，將導(dǎo)致上述的問題更加激化。
　　
　　ESD保護原理
　　
　　電路保護元件存在幾種技術(shù)，當(dāng)選擇電路保護元件時，若設(shè)計師選擇不當(dāng)?shù)谋Ｗo器件將只能提供錯誤的安全概念。電路保護元件的選擇應(yīng)根據(jù)所要保護的布線情況、可用的電路板空間以及被保護電路的電特性來決定。此外，了解保護元件的特性知識也非常必要，需要考慮的重要因素之一是器件的箝位電壓。所謂箝位電壓是在ESD器件里跨在瞬變電壓消除器(TVS)上的電壓，它是被保護IC的應(yīng)變電壓。

　　
　　因為利用先進工藝技術(shù)制造的IC電路里氧化層比較薄，柵極氧化層更易受到損害。這意味著較高的箝位電壓將在被保護IC器件上產(chǎn)生較高的應(yīng)變電壓，并且增加了失效的概率。
　　
　　很多保護元件都被設(shè)計成可吸收大量的能量，由于元件結(jié)構(gòu)或設(shè)計上的原因也導(dǎo)致其具有很高的箝位電壓。由于變阻器的箝位電壓太高，他們不能夠提供有效的ESD保護。此外，由于變阻器的高電容他們也不能給高速數(shù)據(jù)線路提供保護。TVS二極管正是為解決此問題而產(chǎn)生的，它已成為保護便攜電子設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)。
　　
　　TVS二極管是專門設(shè)計用于吸收ESD能量并且保護系統(tǒng)免遭ESD損害的固態(tài)元件。如果應(yīng)用得當(dāng)，TVS二極管將限制跨在被保護器件上的電壓剛好高過額定工作電壓，但是卻遠低于破壞閾值電壓。

TVS相關(guān)參數(shù)
　　
　　處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法是將瞬時電流從敏感器件引開。TVS二極管在線路板上與被保護線路并聯(lián)，當(dāng)瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時電流通過二極管被引開，避開被保護器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動回復(fù)高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓。許多器件在承受多次沖擊后，其參數(shù)及性能會發(fā)生退化，而只要工作在限定范圍內(nèi)，二極管將不會發(fā)生損壞或退化。
　　
　　從以上過程可以看出，在選擇TVS二極管時，必須注意以下幾個參數(shù)的選擇：
　　
　　1. 最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的擊穿電壓，在25℃時，低于這個電壓TVS是不會發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把VBR分為5%和10%兩種。對于5%的VBR來說，VWM=0.85VBR；對于10%的VBR來說，VWM=0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2國際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管必須達到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，有的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。對于某些有特殊要求的便攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計者可以按需要挑選器件。
　　
　　2. 最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM。VWM這是二極管在正常狀態(tài)時可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護電路的正常工作電壓，否則二極管會不斷截止回路電壓；但它又需要盡量與被保護回路的正常工作電壓接近，這樣才不會在TVS工作以前使整個回路面對過壓威脅。當(dāng)這個額定反向關(guān)斷電壓VWM加于TVS的兩極間時它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。

　　
　　3. 最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當(dāng)持續(xù)時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止?fàn)顟B(tài)提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時通過TVS的電壓，它不能大于被保護回路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損傷的危險。
　　
　　4. Pppm額定脈沖功率，這是基于最大截止電壓和此時的峰值脈沖電流。對于手持設(shè)備，一般來說500W的TVS就足夠了。最大峰值脈沖功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在給定的最大箝位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大。在給定的功耗PM下，箝位電壓VC越低，其浪涌電流的承受能力越大。另外，峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。
　　
　　5. 電容量C。電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比，C太大將使信號衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。電容對于數(shù)據(jù)/信號頻率越高的回路，二極管的電容對電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號強度，因此需要根據(jù)回路的特性來決定所選器件的電容范圍。高頻回路一般選擇電容應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容TVS，電容不大于3pF)，而對電容要求不高的回路電容選擇可高于40pF。

ESD應(yīng)用

　　1.底部連接器的應(yīng)用
　　
　　底部連接器設(shè)計廣泛應(yīng)用在移動消費類產(chǎn)品上，目前市場上應(yīng)用產(chǎn)品主要為移動電話、PDA、DSC(數(shù)碼相機)以及MP3等便攜產(chǎn)品。
　　
　　由于是直流回路，可選用高電容器件。此端口可能會受到高能量的沖擊，可以選用集成了TVS和過流保護功能的器件。
　　
　　如圖1所示，是便攜產(chǎn)品的底部連接器保護電路的示意圖，其中的數(shù)據(jù)線保護IC為NZQA5V6XV5T1、NZQA6V2XV5T1、NZQA6V8XV5T1、NZQA8V2XV5T1、NZQA5V6AXV5T1、NZQA6V8AXV5T1、MSQA6V1W5T2、SMF05T1和NSQA6V8AW5T2。
　　
　　以上產(chǎn)品都帶4個單相獨立線路ESD保護，其中MSQA系列、NSQA系列和SMF05的封裝形式是SC-88A，NZQA系列的封裝形式是SOT-553。其中NZQA5V6XV5是5.6V單向式TVS保護器件；NZQA6V2XV5是6.2V單向式TVS保護器件；NZQA6V8XV5是6.8V單向式TVS保護器件；NZQA6V8AXV5是6.8V單向式、低電容TVS保護器件；NUP4102XV6是14V雙向式、低電容TVS。這些SOT5xx封裝的TVS器件均針對260℃回焊溫度處理工藝生產(chǎn)，符合100%無鉛和靜電放電保護的要求，比傳統(tǒng)的SC88封裝減少電路板空間達36%，降低厚度40%，適合用于對電路板空間要求嚴格的便攜設(shè)備，如手機、數(shù)碼相機、MP3播放器。

　　
　　2 RJ-45(10/100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò))
　　
　　RJ-45接口廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)連接的接口設(shè)備上，典型的應(yīng)用就是10/100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　如圖2所示，RJ-45數(shù)據(jù)線保護主要應(yīng)用了安森美公司的低電容瞬態(tài)電壓抑制二極管--SL05，工作電壓是5V。實際上該公司有一系列的SLXX產(chǎn)品，產(chǎn)品從SL05到SL24，工作電壓覆蓋5V、12V、15V、24V。符合IEC 61000-4-2(ESD)15kV(空氣)8kV(接觸)/IEC 61000-4-4(EFT)40A(5/50ns)/IEC 61000-4-5(Lightning)12A(8/20us)標(biāo)準(zhǔn)，除了用在LAN/WAN設(shè)備上，還適合用于高速數(shù)據(jù)線保護，移動電話和USB端口的保護。
　　
　　3. 視頻線路的保護
　　
　　目前視頻常見的輸出端口設(shè)計有D-SUB(如圖3)、DVI(28線)、SCART(19線)和D-TERMINAL(主要日系產(chǎn)品在用)。視頻數(shù)據(jù)線具有高數(shù)據(jù)傳輸率，數(shù)據(jù)傳輸率高達480Mbps，有的視頻數(shù)據(jù)傳輸率達到1G以上，因而要選擇低電容LCTVS，它通常是將一個低電容二極管與TVS二極管串聯(lián)，以降低整個線路的電容(可低于3pF)，達到高速率回路的要求。ONSEMI半導(dǎo)體公司的SRDA05-4具有良好的低電容特性，能夠提供4路ESD保護，而它的后繼產(chǎn)品SRDA05-6能夠提供多達6路ESD保護。SRDA05-X系列產(chǎn)品適用于所有高速通訊線路的保護。
　　
　　4. SIM卡數(shù)據(jù)線路保護
　　
　　SIM卡數(shù)據(jù)線路保護一直是各個公司的產(chǎn)品重點,而且專門為此類端口設(shè)計的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護于一個芯片的器件，充分體現(xiàn)了片式器件的無限集成方案。
　　
　　在針對不同用途選擇器件時，要避免使器件工作在其設(shè)計參數(shù)極限附近，還應(yīng)根據(jù)被保護回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征選用反應(yīng)速度足夠快、敏感度足夠高的器件，這對于有效發(fā)揮保護器件的作用十分關(guān)鍵，另外集成了其它功能的器件也應(yīng)當(dāng)首先考慮。
　　
　　眾多半導(dǎo)體廠商提供了多種不同的TVS二極管封裝形式，尤其是像SOT23和SC-70，以及與芯片同等大小的倒裝芯片之類的微型封裝，在板上只占約4.8mm2的位置，卻可以同時保護多個線路。最近的許多新產(chǎn)品更是適應(yīng)便攜設(shè)備高集成度、小型化要求，將EMI/RFI/ESD保護集成在一個器件中，不但可以有效縮小空間，還大大減少了成本，降低了器件采購成本和加工成本，對于同時需要這幾種保護功能的端口來說，可謂設(shè)計者的首選(圖4)。

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5. USB保護
　　
　　一般USB的ESD保護分上行(圖5)和下行(圖6)兩種情況。針對USB 1.1的ESD保護下行主要采用了NUF2101，上行ESD保護采用STF202或者NUF2221W1T2。這些產(chǎn)品即能滿足USB線路終端的ESD保護，還具有良好的濾波功能。
　　
　　6. 音頻/揚聲器數(shù)據(jù)線路保護
　　
　　在音頻數(shù)據(jù)線路保護方面(圖6)，由于音頻回路的信號速率比較低，對器件電容的要求不太高，100pF左右都是可以接受的。有的手機設(shè)計中將耳機和麥克風(fēng)合在一起，有的則是分立線路。前一種情況可以選擇單路TVS，而后一種情況如果兩個回路是鄰近的，則可以選用多路TVS陣列，只用一個器件就能完成兩個回路的保護。

　　
　　7. 按鍵/開關(guān)
　　
　　對于按鍵和開關(guān)回路，這些回路的數(shù)據(jù)率很低，對器件的電容沒有特殊要求，用普通的TVS陣列都可以勝任。
　　
　　本文總結(jié)
　　
　　以上的產(chǎn)品主要是針對數(shù)據(jù)線路的ESD保護。在表1中所列器件中有四款是專為為USB、以太網(wǎng)、防火墻和其他高速數(shù)據(jù)應(yīng)用設(shè)計的濾波器。這些器件符合USB的所有要求，包括電磁干擾濾波和上行/下行端口的線路終端。這些新型集成元件均能替代目前需采用12個元件的分立元件解決方案。八款新型器件提供靜電放電(ESD)保護，具有業(yè)界最低電容。這些新型保護器件均通過了15千伏接觸放電測試，測試標(biāo)準(zhǔn)高于IEC61000的8千伏ESD標(biāo)準(zhǔn)。這些器件具有1.5皮法電容典型值，確保了數(shù)據(jù)線速度以及數(shù)據(jù)完整性。

　　此外，對于便攜式設(shè)備來說，各類集成電路的復(fù)雜性和精密度的提高使它們對ESD也更加敏感，以往的通用回路設(shè)計也不再適合。合理的PCB布局最重要的是要在使用TVS二極管保護ESD損害的同時避免自感。ESD設(shè)計很可能會在回路中引起寄生自感，會對回路有強大的電壓沖擊，導(dǎo)致超出IC的承受極限而造成損壞。負載產(chǎn)生的自感電壓與電源變化強度成正比，ESD沖擊的瞬變特征易于誘發(fā)高強自感。減小寄生自感的基本原則是盡可能縮短分流回路，必須考慮到包括接地回路、TVS和被保護線路之間的回路，以及由接口到TVS的通路等所有因素。所以，TVS器件應(yīng)與接口盡量接近，與被保護線路盡量接近，這樣才會減少自感耦合到其它鄰近線路上的機會。
　　
　　在電路板設(shè)計中還應(yīng)注意以下幾點：盡量避免在保護線路附近走比較關(guān)鍵的信號線，盡量將接口安排在同一個邊上；采用高集成度器件，二極管陣列不但可以大大節(jié)約線路板上的空間，而且減少了由于回路復(fù)雜可能誘發(fā)的寄生性線路自感的影響；避免被保護回路和未實施保護的回路并聯(lián)，將接口信號線路和接地線路直接接到保護器件上，然后再進入回路的其它部分，將復(fù)位、中斷、控制信號遠離輸入/輸出口，遠離PCB的邊緣；各類信號線及其饋線所形成的回路所環(huán)繞面積要盡量小，必要時可考慮改變信號線或接地線的位置；在可能的地方都加入接地點。