TVS二極管:為便攜電子設備提供有效的ESD保護

　ESD保護對高密度、小型化和具有復雜功能的電子設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斷電壓等參數對電路的影響及選擇準則，并針對便攜消費電子設備、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用
　　
　　隨著移動產品、打印機、PC，DVD、機頂盒(STB)等產品的迅速發展，消費者正要求越來越先進的性能。半導體組件日益趨向小型化、高密度和功能復雜化，特別是像時尚消費電子和便攜式產品等對主板面積要求嚴格的應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雜半導體功能電路，對電路瞬變過程的影響更加敏感，將導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，當選擇電路保護元件時，若設計師選擇不當的保護器件將只能提供錯誤的安全概念。電路保護元件的選擇應根據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的應變電壓。

　　
　　因為利用先進工藝技術制造的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器件上產生較高的應變電壓，并且增加了失效的概率。
　　
　　很多保護元件都被設計成可吸收大量的能量，由于元件結構或設計上的原因也導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據線路提供保護。TVS二極管正是為解決此問題而產生的，它已成為保護便攜電子設備的關鍵性技術。
　　
　　TVS二極管是專門設計用于吸收ESD能量并且保護系統免遭ESD損害的固態元件。如果應用得當，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相關參數
　　
　　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，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便發生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結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。當瞬時脈沖結束以后，TVS二極管自動回復高阻狀態，整個回路進入正常電壓。許多器件在承受多次沖擊后，其參數及性能會發生退化，而只要工作在限定范圍內，二極管將不會發生損壞或退化。
　　
　　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是不會發生雪崩的。當TVS流過規定的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與標準值的離散程度，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，有的半導體生產廠商在自己的產品上使用了更高的抗沖擊標準。對于某些有特殊要求的便攜設備應用，設計者可以按需要挑選器件。
　　
　　2. 最大反向漏電流ID和額定反向關斷電壓VWM。VWM這是二極管在正常狀態時可承受的電壓，此電壓應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。當這個額定反向關斷電壓VWM加于TVS的兩極間時它處于反向關斷狀態，流過它的電流應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。當持續時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現的最大峰值電壓為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是二極管在截止狀態提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態時通過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、持續時間和環境溫度有關。而且，TVS所能承受的瞬態脈沖是不重復的，器件規定的脈沖重復頻率(持續時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現重復性脈沖，應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是數據接口電路選用TVS的重要參數。電容對于數據/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應用

　　1.底部連接器的應用
　　
　　底部連接器設計廣泛應用在移動消費類產品上，目前市場上應用產品主要為移動電話、PDA、DSC(數碼相機)以及MP3等便攜產品。
　　
　　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，是便攜產品的底部連接器保護電路的示意圖，其中的數據線保護IC為NZQA5V6XV5T1、NZQA6V2XV5T1、NZQA6V8XV5T1、NZQA8V2XV5T1、NZQA5V6AXV5T1、NZQA6V8AXV5T1、MSQA6V1W5T2、SMF05T1和NSQA6V8AW5T2。
　　
　　以上產品都帶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，符合100%無鉛和靜電放電保護的要求，比傳統的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備，如手機、數碼相機、MP3播放器。

　　
　　2 RJ-45(10/100M以太網網絡)
　　
　　RJ-45接口廣泛應用在網絡連接的接口設備上，典型的應用就是10/100M以太網網絡。
　　
　　如圖2所示，RJ-45數據線保護主要應用了安森美公司的低電容瞬態電壓抑制二極管--SL05，工作電壓是5V。實際上該公司有一系列的SLXX產品，產品從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)標準，除了用在LAN/WAN設備上，還適合用于高速數據線保護，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計有D-SUB(如圖3)、DVI(28線)、SCART(19線)和D-TERMINAL(主要日系產品在用)。視頻數據線具有高數據傳輸率，數據傳輸率高達480Mbps，有的視頻數據傳輸率達到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，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，而它的后繼產品SRDA05-6能夠提供多達6路ESD保護。SRDA05-X系列產品適用于所有高速通訊線路的保護。
　　
　　4. SIM卡數據線路保護
　　
　　SIM卡數據線路保護一直是各個公司的產品重點,而且專門為此類端口設計的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護于一個芯片的器件，充分體現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計參數極限附近，還應根據被保護回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征選用反應速度足夠快、敏感度足夠高的器件，這對于有效發揮保護器件的作用十分關鍵，另外集成了其它功能的器件也應當首先考慮。
　　
　　眾多半導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。最近的許多新產品更是適應便攜設備高集成度、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/揚聲器數據線路保護
　　
　　在音頻數據線路保護方面(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。有的手機設計中將耳機和麥克風合在一起，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
　　
　　對于按鍵和開關回路，這些回路的數據率很低，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
　　
　　以上的產品主要是針對數據線路的ESD保護。在表1中所列器件中有四款是專為為USB、以太網、防火墻和其他高速數據應用設計的濾波器。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，測試標準高于IEC61000的8千伏ESD標準。這些器件具有1.5皮法電容典型值，確保了數據線速度以及數據完整性。

　　此外，對于便攜式設備來說，各類集成電路的復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，導致超出IC的承受極限而造成損壞。負載產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。
　　
　　在電路板設計中還應注意以下幾點：盡量避免在保護線路附近走比較關鍵的信號線，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約線路板上的空間，而且減少了由于回路復雜可能誘發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，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。