發布日期：2022-10-09 點擊率：84
便攜式設備的ESD靜電保護十分重要，而TVS瞬態抑制二極管是一種十分有效的保護器件，與其它器件相比有其獨特的優勢，但在應用時應當針對不同的保護對象來選用器件，因為不同的端口可能受到的靜電沖擊有所不同，不同器件要求的保護程度也有不同。要注意相應的參數鑒別以及各個生產商的不同設計，同時還要進行合理的PCB 布局。本文介紹在便攜式設備的ESD靜電保護中如何應用TVS瞬態抑制二極管器件。
便攜式設備如筆記本電腦、手機、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，如果沒有選擇合適的保護器件，可能會造成機器性能不穩定，或者損壞。更壞的情況是查不出確切的原因，使用戶誤認為是產品質量問題而損壞企業信譽。
一般情況下，對此類設備暴露在外面可能與人體接觸的端口都要求進行防靜電保護，如鍵盤、電源接口、數據口、I/O 口等等。現在比較通用的ESD 標準是IEC61000-4-2，應用人體靜電模式，測試電壓的范圍為2kV～15kV(空氣放電)，峰值電流最高為20A/ns，整個脈沖持續時間不超過60ns。在這樣的脈沖下所產生的能量總共不超過幾百個微焦爾，但卻足以損壞敏感元器件。
便攜式設備所采用的IC 器件大多是高集成度、小體積產品，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 左右就會受到損傷。傳統的保護方法已不再普遍適用，有的甚至還會造成對設備性能的干擾。
TVS瞬態抑制二極管的特點
可用于便攜式設備的ESD保護器件有很多，例如設計人員可用分立器件搭建保護回路，但由于便攜設備對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行防護，它們的特性及表現各有不同，TVS瞬態抑制二極管在此類應用中的獨特表現為其贏得了越來越大的市場。
TVS瞬態抑制二極管最顯著的特點一是反應迅速，使瞬時脈沖在沒有對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境。另外對TVS瞬態抑制二極管設計的改進使其具有更低的漏電流和結電容，因而在處理高速率傳導回路的靜電沖擊時有更理想的性能表現。
TVS瞬態抑制二極管的優勢
TVS二極管與齊納二極管：與傳統的齊納二極管相比，TVS瞬態抑制二極管P/N 結面積更大，這一結構上的改進使TVS具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對于保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。
TVS二極管與陶瓷電容：很多設計人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD 保護，不但便宜而且設計簡便，但這類器件對高壓的承受力卻比較弱。5kV 的沖擊會造成約10%陶瓷電容失效，到10kV 時，損壞率達到60%，而TVS二極管可以承受15kV 電壓。在手持設備的使用過程中，由于與人體頻繁接觸，各個端口必須至少能夠承受8kV 接觸沖擊(IEC61000-4-2 標準)，可見使用TVS二極管可以有效保證最終產品的合格率。
TVS二極管與MLV：多層金屬氧化物結構器件(MLV)也可以進行有效的瞬時高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現)關系，截止電壓可達最初中止電壓的2～3 倍，這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的保護，如電源回路。而TVS瞬態抑制二極管具有更好的電壓截止因子，同時還具有較低的電容，這一點對于手持設備的高頻端口非常重要，因為過高的電容會影響數據傳輸，造成失真或是降級。
TVS瞬態抑制二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求，而且芯片結構便于集成其它的功能，如EMI 和RFI過濾保護等，可有效降低器件成本，優化整體設計。
另一個不能忽略的特點是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個芯片上，現有很多將EMI 過濾和RFI 防護等功能與TVS 集成在一起的器件，不但減少設計所采用的器件數目降低成本，而且也避免PCB板上布線時易誘發的伴生自感。
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。
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。
3. 視頻線路的保護
目前視頻常見的輸出端口設計有 D-SUB、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瞬態抑制二極管串聯，以降低整個線路的電容(可低于3pF)，達到高速率回路的要求。
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。
5. USB 保護
一般 USB 的ESD 保護分上行和下行兩種情況。
6. 音頻/揚聲器數據線路保護
在音頻數據線路保護方面，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。
在選擇 TVS瞬態抑制二極管時，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瞬態抑制二極管必須達到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD 沖擊。
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。
PCB 設計時的考慮
PCB layout 對防靜電影響重大，所以必須在layout 前就得考慮ESD 防護問題，而不是在板子出來后才加以修正。加TVS diode 絕對是簡單而實用的防ESD 方式，但它還是需要在畫線路圖時就選好具體料號或封裝，并在PCB 上留好位置，一旦在測試當中沒辦法通過時就可以把它加上再測，當然，如果不加TVS 也能通過那就更好了。如果沒留位置且測試通不過，這是件麻煩事。TVS 應用時需要考慮layout，需要考慮泄放路徑的最短化，再好的TVS 如果layout 不好，它同樣沒辦法起到防ESD 的作用。不管選擇怎樣的TVS 器件，它們在電路板上的布局非常重要。TVS 布局前的導線長度應該減到最小，因為快速(0.7ns)ESD 放電電流在電感性布線上感應出很高的電壓尖峰，影響ESD 保護的性能。另外，快速 ESD 脈沖可能在電路板上相鄰(平行)導線間產生感應電壓。如果上述情況發生，由于將不會得到保護，因為感應電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達IC 的路徑。因此，被保護的輸入線不應該被放置在其它單獨、未受保護的走線旁邊。推薦的ESD 抑制器件PCB 布局方案應該是：應盡可能的濾除所有的I/O 口的干擾信號，靠近連接器/觸點PCB 側。圖一是PCB 布局的建議.走線時，盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾；輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發生反饋藕合。圖二是布線時的優化建議。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瞬態抑制二極管保護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（直接就近瀉放ESD 干擾，避免串入后續電路），與被保護線路盡量接近（畫版時原則上要靠近被保護的芯片），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：
1． 避免在保護線路附近走比較關鍵的信號線；
2． 盡量將接口安排在同一個邊上；
3． 避免被保護回路和未實施保護的回路并聯；
4． 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；
5． 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；
6． 將復位、中斷、控制信號遠離輸入/輸出口，遠離PCB 的邊緣；
7． 在可能的地方都加入接地點；
8． 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。
ESD 分析：
1. 傳導路徑：在傳導入口放ESD diode 就近泄放解決該ESD 干擾（最佳方案）。
2. 失效分析：因為ESD 路徑的難確定性，干脆就不去猜它到底是怎么傳導的，而是直接去看那些被干擾到的IC。打靜電后，IC 不會死而只是重起，那該是控制這些IC 的控制腳電位被改變了，是不是可以看這些IC 有EN 腳嗎，電源有問題不？試著用示波器去看看靜電從外殼傳導到這些pin 腳后實際殘留的波形，這更方便我們分析。然后在干擾的pin 腳處放ESD diode 保護該IC.
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