ESD 靜電放電(Electro-Static discharge)

TVS 瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressors)

TVS管和ESD管的區(qū)別是：工作原理是一樣的，但功率和封裝是不一樣的;ESD主要是用來防靜電，防靜電就要求電容值低;TVS就做不到這一點，TVS的電容值比較高。

瞬態(tài)二極管(Transient Voltage Suppressor)簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護器件。

當TVS 二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它 能以10的負12次方秒量級的速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗崭哌_數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預(yù)定值，有效地保護電子線路中的精密元 器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。

靜電放電即ESD(Electro-Static discharge)，是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移。

ESD是20世紀中期以來形成的以研究靜電的產(chǎn)生、危害及靜電防護等的學(xué)科，因此，國際上習(xí)慣將用于靜電防護的器材統(tǒng)稱為ESD。

TVS瞬態(tài)電壓抑制

這里不論TV(瞬態(tài)電壓)是如何產(chǎn)生的,比如直接或者間接的雷擊,靜電放電,大容量的負載投切等因素導(dǎo)致的浪涌.電壓從幾伏到幾十千伏甚至更高.

ESD靜電放電保護

這里的ES主要是三種模型所表述.

其中主要應(yīng)用是HBM 和 MM,簡單說,就是人或者設(shè)備對器件放電(靜電),但是器件不能損壞.

典型的HBM CLASS 1C模型規(guī)定一個充電1000V-2000V的100pF的電容通過一個1500歐姆的電阻對器件放電.

MM模型要比人體模型能量大一些.電容是200pF,電壓大概在200-400之間,不過沒有串聯(lián)電阻了.

典型的人體模型放電,峰值電流小于0.75A,時間150ns

典型的機器模型放電,峰值電流小于8A,時間5ns

典型的雷擊浪涌(電力線入線處使用的TVS)峰值電流3000A,時間20us

原理是一樣的,但根據(jù)功率和封裝來分就不一樣.

ESD和TVS比較的話,要看用在那些用途上,像ESD主要是用來防靜電,防靜電就要求電容值低,一般是1--3.5PF之間為最好.而TVS就做不到這一點,TVS的電容值比較高.

通過分別對其進行符合IEC61000-4-2標準的+/-8KV接觸放電,分析捕獲的IEC波型可以得知,TVS保護性能強過貼片壓敏很多倍.

壓敏電阻采用物理吸收原理,每經(jīng)過一次ESD事件,材料就會受到一定物理損傷,形成永久性的漏電通道,而TVS是采用的半導(dǎo)體鉗位原理,在經(jīng)歷ESD事件時,瞬間將能量傳遞出去,對器件本身并無影響.

他們應(yīng)用的場合不同,TVS一般用于處級和次級保護,而ESD主要用于板級保護.

選擇TVS一般是看器件的功率和封裝,ESD器件一般看中的是它的ESD rating (HBM/MM)和IEC61000-4-2的LEVEL,高速的USB和I/O很重視它的容值。

我們經(jīng)常可以見到的esd保護電路如下圖：

TVS管有兩個引腳，是兩腳器件;而ESD抑制二極管有三個引腳，是三腳器件。ESD抑制二極管兩個二極管串起來后，引出三根引腳。其電路符號分別如下圖所示。

TVS主要用在電源輸入端起到防浪涌的作用，瞬間吸收浪涌電流對后級電路起到保護作用。ESD二極管的正負接在電源引腳，公共端接在被保護引腳上起到釋放靜電的作用。

瞬態(tài)抑制二極管

瞬態(tài)抑制二極管是一種限壓型的過壓保護器件，也叫TVS，以pS級的速度把過高的電壓限制在一個安全范圍之內(nèi)，從而起到保護后面電路的作用。

TVS的響應(yīng)時間可以達到ps級，是限壓型浪涌保護器件中最快的。用于電子電路的過電壓保護時其響應(yīng)速度都可滿足要求。TVS管的結(jié)電容根據(jù)制造工藝的不同，大體可分為兩種類型，高結(jié)電容型TVS一般在幾百～幾千pF的數(shù)量級，低結(jié)電容型TVS的結(jié)電容一般在幾pF～幾十pF的數(shù)量級。一般分立式TVS的結(jié)電容都較高，表貼式TVS管中兩種類型都有。在高頻信號線路的保護中，應(yīng)主要選用低結(jié)電容的TVS管。

瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)又叫鉗位二極管，是目前國際上普遍使用的一種高效能電路保護器件，它的外型與普通二極管相同，但卻能吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，它的主要特點是在反向應(yīng)用條件下，當承受一個高能量的大脈沖時，其工作阻抗立即降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過，同時把電壓鉗制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時間僅為10-12毫秒，因此可有效地保護電子線路中的精密元器件。

瞬態(tài)電壓抑制二極管允許的正向浪涌電流在TA=250C，T=10ms條件下，可達50～200A。雙向TVS可在正反兩個方向吸收瞬時大脈沖功率，并把電壓鉗制到預(yù)定水平，雙向TVS適用于交流電路，單向TVS一般用于直流電路。可用于防雷擊、防過電壓、抗干擾、吸收浪涌功率等，是一種理想的保護器件。耐受能力用瓦特(W)表示。

瞬態(tài)電壓抑制二極管的主要電參數(shù)

(1)擊穿電壓V(BR)

器件在發(fā)生擊穿的區(qū)域內(nèi)，在規(guī)定的試驗電流I(BR)下，測得器件兩端的電壓稱為擊穿電壓，在此區(qū)域內(nèi)，二極管成為低阻抗的通路。

(2)最大反向脈沖峰值電流IPP

在反向工作時，在規(guī)定的脈沖條件下，器件允許通過的最大脈沖峰值電流。IPP與最大鉗位電壓VC(MAX)的乘積，就是瞬態(tài)脈沖功率的最大值。

使用時應(yīng)正確選取TVS，使額定瞬態(tài)脈沖功率PPR大于被保護器件或線路可能出現(xiàn)的最大瞬態(tài)浪涌功率。

瞬態(tài)電壓抑制二極管的分類

瞬態(tài)電壓抑制二極管可以按極性分為單極性和雙極性兩種，按用途可分為各種電路都適用的通用型器件和特殊電路適用的專用型器件。如：各種交流電壓保護器、 4~200mA電流環(huán)保器、數(shù)據(jù)線保護器、同軸電纜保護器、電話機保護器等。若按封裝及內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為：軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列(適用多線保護)、貼片式、組件式和大功率模塊式等。

瞬態(tài)電壓抑制二極管的應(yīng)用

目前已廣泛應(yīng)用于計算機系統(tǒng)、通訊設(shè)備、交/ 直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表(電度表)、RS232/422/423/485、 I/O、LAN、ISDN 、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、數(shù)字照相機的保護、共模/差模保護、RF耦合/IC驅(qū)動接收保護、電機電磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪音的抑制等各個領(lǐng)域。

瞬態(tài)電壓抑制二極管的特點

(1)將TVS二極管加在信號及電源線上，能防止微處理器或單片機因瞬間的肪沖，如靜電放電效應(yīng)、交流電源之浪涌及開關(guān)電源的噪音所導(dǎo)致的失靈。

(2)靜電放電效應(yīng)能釋放超過10000V、60A以上的脈沖，并能持續(xù)10ms;而一般的TTL器件，遇到超過30ms的10V脈沖時，便會導(dǎo)致?lián)p壞。利用TVS二極管，可有效吸收會造成器件損壞的脈沖，并能消除由總線之間開關(guān)所引起的干擾(Crosstalk)。

(3)將TVS二極管放置在信號線及接地間，能避免數(shù)據(jù)及控制總線受到不必要的噪音影響。

瞬態(tài)電壓抑制二極管的選用技巧

(1)確定被保護電路的最大直流或連續(xù)工作電壓、電路的額定標準電壓和“高端”容限。

(2)TVS額定反向關(guān)斷VWM應(yīng)大于或等于被保護電路的最大工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進入雪崩或因反向漏電流太大影響電路的正常工作。串行連接分電壓，并行連接分電流。

(3)TVS的最大鉗位電壓VC應(yīng)小于被保護電路的損壞電壓。

(4)在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須大于被保護電路內(nèi)可能出現(xiàn)的峰值脈沖功率。在確定了最大鉗位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)大于瞬態(tài)浪涌電流。

(5)對于數(shù)據(jù)接口電路的保護，還必須注意選取具有合適電容C的TVS器件。

(6)根據(jù)用途選用TVS的極性及封裝結(jié)構(gòu)。交流電路選用雙極性TVS較為合理;多線保護選用TVS陣列更為有利。

(7)溫度考慮。瞬態(tài)電壓抑制器可以在-55℃～+150℃之間工作。如果需要TVS在一個變化的溫度工作，由于其反向漏電流ID是隨增加而增大;功耗隨TVS 結(jié)溫增加而下降，從+25℃～+175℃，大約線性下降50%與擊穿電壓VBR隨溫度的增加按一定的系數(shù)增加。因此，必須查閱有關(guān)產(chǎn)品資料，考慮溫度變化對其特性的影響。

處理瞬時脈沖對元件損害的最好辦法是將瞬時電流從感應(yīng)元件引開。TVS二極管在線路板上與被保護線路并聯(lián)，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便產(chǎn)生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時電流透過二極管被引開，避開被保護元件，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。當瞬時脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動恢復(fù)高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓。許多元件在承受多次沖擊后，其參數(shù)及性能會產(chǎn)生退化，而只要工作在限定范圍內(nèi)，二極管將不會產(chǎn)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I R 。VBR是TVS最小的擊穿電壓，在25℃時，低于這個電壓TVS是不會產(chǎn)生雪崩的。當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V BR 。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5%和10%兩種。對于5%的VBR來說，V WM =0.85VBR;對于10%的VBR來說，V WM =0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2國際標準，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，部分半導(dǎo)體廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標準。對于某些有特殊要求的可攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計者可以依需要挑選元件。

2.最大反向漏電流ID和額定反向切斷電壓VWM。VWM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。當這個額定反向切斷電壓VWM加于TVS的兩極間時它處于反向切斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。

3.最大鉗位電壓VC和最大峰值脈沖電流I PP 。當持續(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。V C 、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止狀態(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，否則元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。在特定的最大鉗位電壓下，功耗PM越大，其突波電流的承受能力越大。在特定的功耗PM下，鉗位電壓VC越低，其突波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，元件規(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)重覆性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。

5. 電容器量C。電容器量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太大將使訊號衰減。因此，C是數(shù)據(jù)介面電路選用TVS的重要參數(shù)。電容器對于數(shù)據(jù)/訊號頻率越高的回路，二極管的電容器對電路的干擾越大，形成噪音或衰減訊號強度，因此需要根據(jù)回路的特性來決定所選元件的電容器范圍。高頻回路一般選擇電容器應(yīng)盡量小(如 LCTVS、低電容器TVS，電容器不大于3pF)，而對電容器要求不高的回路電容器選擇可高于40pF。

瞬態(tài)電壓抑制二極管特性曲線：

說明：

VBR：崩潰電壓@IT- TVS瞬間變?yōu)榈妥杩沟狞c

VRWM：維持電壓-在此階段TVS為不導(dǎo)通之狀態(tài)

VC：鉗制電壓@Ipp -鉗制電壓約略等于1.3*VBR VF：正向?qū)妷篅IF -正向壓降

IR：逆向漏電流@VRWM

IT：崩潰電壓之測試電流

IPP：突波峰值電流

IF：正向?qū)娏?/p>

單向TVS二極管特性曲線

雙向TVS二極管特性曲線

ESD靜電防護二極管

“ESD靜電管”這種稱呼不符合專業(yè)術(shù)語，只能簡單理解為用于ESD靜電保護的二極管稱之為ESD靜電管，業(yè)界也沒有這種稱呼。

高速輸入/輸出端口要求使用電容小的ESD保護器件，盡量保持信號質(zhì)量不會下降。選用的器件應(yīng)當適合高速數(shù)據(jù)傳輸線路和無線電頻率數(shù)據(jù)線路，能夠經(jīng)受無數(shù)次的ESD瞬變電壓。要符合RoHS 和IEC61000-4-2的要求，電容要小，觸發(fā)電壓要低，響應(yīng)時間要短，這些也是ESD保護器件的重要特性。

TVS吸收能量大，反映慢，適合浪涌防護，ESD二極管吸收能力小，但反應(yīng)速度快，適合靜電場合。

ESD 靜電二極管并聯(lián)于電路中，當電路正常工作時，它處于截止狀態(tài)(高 阻態(tài))，不影響線路正常工作，當電路出現(xiàn)異常過壓并達到其擊穿電 壓時，它迅速由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，給瞬間電流提供低阻抗導(dǎo)通路徑， 同時把異常高壓箝制在一個安全水平之內(nèi)，從而保護被保護被保護 IC 或線路;當異常過壓消失，其恢復(fù)至高阻態(tài)，電路正常工作。

1、ESD 靜電二極管使用時是并聯(lián)在被保護電路上，正常情況下 對線路的工作不應(yīng)產(chǎn)生任何的影響;

2、擊穿電壓 VBR 的選擇：ESD 靜電二極管的擊穿電壓應(yīng)大于線 路最高工作電壓 Um 或者信號電平的最大電壓值;

3、脈沖峰值電流 IPP 和最大箝位電壓 VC 的選擇：ESD 靜電二 極管使用時，要根據(jù)線路上可能出現(xiàn)的最大浪涌電流來選擇 IPP 合 適的型號。要注意的是，此時的最大箝位電壓 VC 應(yīng)不大于被保護芯 片所能耐受的最大峰值電壓;

4、用于信號傳輸電路保護時，一定要注意所傳輸信號的頻率或 傳輸速率，當信號頻率或傳輸速率較高時，應(yīng)選用低電容系列的管子。

5、要采用 Array 式的 ESD 保護組件，這樣才可以用最少的組件 數(shù)來縮小 PCB 的空間及降低 PCB 的寄生阻抗;

6、ESD 保護組件的線路電容要夠低，如 USB2.0 需要用小于 3pF， USB3.0 需要用小于 0.3pF，10/100M LAN 需要用小于 3pF 的 ESD 保護 元件;

7、ESD 保護元件的箝制電壓必須要夠低，才能使系統(tǒng)在 ESD 發(fā) 生時還能不受干擾地運作，至于要多低的箝制電壓才夠，則要看系統(tǒng) 的噪聲免疫能力而定。

ESD保護二極管，是一種有效的防靜電保護器件，取代了以往的壓敏電阻、TVS瞬態(tài)抑制二極管，成為了電子行業(yè)緊俏、流行的靜電保護器件。在電子行業(yè)中，ESD靜電防護的最終目的是：在電子元器件、組件和設(shè)備的制造過程中，通過一定的靜電防護措施，抵御ESD靜電的破壞性來保障產(chǎn)品的正常運行。ESD靜電保護二極管，與傳統(tǒng)的靜電防護器件相比，其優(yōu)越性更加顯著:

1)超快響應(yīng)時間，小于1ns

2)超低電容值，小于0.05p

3)超低漏電流，小于0.1nA

4)超耐用，有效動作大于40萬次

5)符合IEC61000-4-2行業(yè)標準