【導(dǎo)讀】便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)十分重要，而TVS二極管是一種十分有效的保護(hù)器件，與其它器件相比有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但在應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的保護(hù)對(duì)象來(lái)選用器件，因?yàn)椴煌亩丝诳赡苁艿降撵o電沖擊有所不同，不同器件要求的保護(hù)程度也有不同。要注意相應(yīng)的參數(shù)鑒別以及各個(gè)生產(chǎn)商的不同設(shè)計(jì)，同時(shí)還要進(jìn)行合理的PCB布局。本文介紹在便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)中如何應(yīng)用TVS二極管器件。
便攜式設(shè)備如筆記本電腦、手機(jī)、PDA、MP3播放器等，由于頻繁與人體接觸極易受到靜電放電(ESD)的沖擊，如果沒(méi)有選擇合適的保護(hù)器件，可能會(huì)造成機(jī)器性能不穩(wěn)定，或者損壞。更壞的情況是查不出確切的原因，使用戶誤認(rèn)為是產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題而損壞企業(yè)信譽(yù)。
一般情況下，對(duì)此類設(shè)備暴露在外面可能與人體接觸的端口都要求進(jìn)行防靜電保護(hù)，如鍵盤(pán)、電源接口、數(shù)據(jù)口、I/O口等等?，F(xiàn)在比較通用的ESD標(biāo)準(zhǔn)是IEC61000-4-2，應(yīng)用人體靜電模式，測(cè)試電壓的范圍為2kV～15kV(空氣放電)，峰值電流最高為20A/ns，整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間不超過(guò)60ns。在這樣的脈沖下所產(chǎn)生的能量總共不超過(guò)幾百個(gè)微焦?fàn)?，但卻足以損壞敏感元器件。
便攜式設(shè)備所采用的IC器件大多是高集成度、小體積產(chǎn)品，精密的加工工藝使硅晶氧化層非常薄，因而更易擊穿，有的在20V左右就會(huì)受到損傷。傳統(tǒng)的保護(hù)方法已不再普遍適用，有的甚至還會(huì)造成對(duì)設(shè)備性能的干擾。
TVS二極管的特點(diǎn)
可用于便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)器件有很多，例如設(shè)計(jì)人員可用分立器件搭建保護(hù)回路，但由于便攜設(shè)備對(duì)于空間的限定以及避免回路自感，這種方法已逐漸被更加集成化的器件所替代。多層金屬氧化物器件、陶瓷電容還有二極管都可以有效地進(jìn)行防護(hù)，它們的特性及表現(xiàn)各有不同，TVS二極管在此類應(yīng)用中的獨(dú)特表現(xiàn)為其贏得了越來(lái)越大的市場(chǎng)。
TVS二極管最顯著的特點(diǎn)一是反應(yīng)迅速，使瞬時(shí)脈沖在沒(méi)有對(duì)線路或器件造成損傷之前就被有效地遏制，二是截止電壓比較低，更適用于電池供電的低電壓回路環(huán)境。另外對(duì)TVS二極管設(shè)計(jì)的改進(jìn)使其具有更低的漏電流和結(jié)電容，因而在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時(shí)有更理想的性能表現(xiàn)。
TVS二極管的優(yōu)勢(shì)
TVS與齊納二極管：與傳統(tǒng)的齊納二極管相比，TVS二極管P/N結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使TVS具有更強(qiáng)的高壓承受能力，同時(shí)也降低了電壓截止率，因而對(duì)于保護(hù)手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。
VS與陶瓷電容：很多設(shè)計(jì)人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD保護(hù)，不但便宜而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，但這類器件對(duì)高壓的承受力卻比較弱。5kV的沖擊會(huì)造成約10%陶瓷電容失效，到10kV時(shí)，損壞率達(dá)到60%，而TVS可以承受15kV電壓。在手持設(shè)備的使用過(guò)程中，由于與人體頻繁接觸，各個(gè)端口必須至少能夠承受8kV接觸沖擊(IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn))，可見(jiàn)使用TVS可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。
TVS與MLV：多層金屬氧化物結(jié)構(gòu)器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現(xiàn))關(guān)系，截止電壓可達(dá)最初中止電壓的2～3倍，這種特性適合用于對(duì)電壓不太敏感的線路和器件的保護(hù)，如電源回路。而TVS二極管具有更好的電壓截止因子，同時(shí)還具有較低的電容，這一點(diǎn)對(duì)于手持設(shè)備的高頻端口非常重要，因?yàn)檫^(guò)高的電容會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸，造成失真或是降級(jí)。TVS二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求，而且芯片結(jié)構(gòu)便于集成其它的功能，如EMI和RFI過(guò)濾保護(hù)等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。
另一個(gè)不能忽略的特點(diǎn)是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個(gè)芯片上，現(xiàn)有很多將EMI過(guò)濾和RFI防護(hù)等功能與TVS集成在一起的器件，不但減少設(shè)計(jì)所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免PCB板上布線時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。
TVS器件的選用
在選用TVS時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要因素：
(1)若TVS有可能承受來(lái)自兩個(gè)方向的尖峰脈沖電壓(浪涌電壓)沖擊時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用雙極性的，否則可選用單極性。
(2)所選用TVS的Vc值應(yīng)低于被保護(hù)元件的最高電壓。Vc是二極管在截止?fàn)顟B(tài)的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓，它不能大于被保護(hù)回路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損壞的危險(xiǎn)。
(3)TVS在正常工作狀態(tài)下不要處于擊穿狀態(tài)，最好處于VR以下，應(yīng)綜合考慮VR和VC兩方面的要求來(lái)選擇適當(dāng)?shù)腡VS。
(4)如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IPP，則可利用VCIpp來(lái)確定功率；如果無(wú)法確定IPP的大致范圍，則選用功率大些的TVS為好。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。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(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。 (5)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(shí)間與間歇時(shí)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，不然有可能損壞TVS。
(6)對(duì)于小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，一般不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。但這樣可能選用峰值功率較小的TVS管來(lái)對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。
(7)電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，這是在特定的1 MHz頻率下測(cè)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(hào)衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。對(duì)于數(shù)據(jù)/信號(hào)頻率越高的回路，二極管的電容對(duì)電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號(hào)強(qiáng)度也大，因此，需要根據(jù)回路的特性來(lái)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3 pF)，而對(duì)電容要求不高的回路，電容的容量選擇可高于40pF。
(8)為了滿足IEC61000-4-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管必須達(dá)到可以處理最小8 KV(MB，接觸)和15 kV(BM,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)。而對(duì)于某些有特殊要求的便攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以按需要挑選器件。
ESD應(yīng)用
1.底部連接器的應(yīng)用
底部連接器設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用在移動(dòng)消費(fèi)類產(chǎn)品上，目前市場(chǎng)上應(yīng)用產(chǎn)品主要為移動(dòng)電話、PDA、DSC(數(shù)碼相機(jī))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(huì)受到高能量的沖擊，可以選用集成了TVS和過(guò)流保護(hù)功能的器件。
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)。
3. 視頻線路的保護(hù)
目前視頻常見(jiàn)的輸出端口設(shè)計(jì)有D-SUB、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(dá)480Mbps，有的視頻數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到1G以上，因而要選擇低電容LCTVS，它通常是將一個(gè)低電容二極管與TVS二極管串聯(lián)，以降低整個(gè)線路的電容(可低于3pF)，達(dá)到高速率回路的要求。
4. SIM卡數(shù)據(jù)線路保護(hù)
SIM卡數(shù)據(jù)線路保護(hù)一直是各個(gè)公司的產(chǎn)品重點(diǎn),而且專門(mén)為此類端口設(shè)計(jì)的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護(hù)于一個(gè)芯片的器件，充分體現(xiàn)了片式器件的無(wú)限集成方案。
在針對(duì)不同用途選擇器件時(shí)，要避免使器件工作在其設(shè)計(jì)參數(shù)極限附近，還應(yīng)根據(jù)被保護(hù)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(duì)于有效發(fā)揮保護(hù)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。
5. USB保護(hù)
一般USB的ESD保護(hù)分上行和下行兩種情況。
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