TVS二極管在便攜設備ESD保護中的應用

便攜式設備的ESD保護十分重要，而TVS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(yōu)勢，但在應用時(shí)應當針對不同的保護對象來(lái)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(gè)生產(chǎn)商的不同設計，同時(shí)還要進(jìn)行合理的PCB布局。本文介紹在便攜式設備的ESD保護 中如何應用TVS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(méi)有選擇合適的保護器件，可能會(huì )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(hù)誤認為是產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題而損壞企業(yè)信譽(yù)。

一般情況下，對此類(lèi)設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， 如鍵盤(pán)、電源接口、數據口、I/O口等等?，F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(gè)脈沖持續時(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(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。傳統的保護方法已不再普遍適用，有的甚至還會(huì )造成對設備性能的干擾。

TVS二極管的特點(diǎn)

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(jìn)行防護，它們的特性及表現各有不同，TVS二極管在此類(lèi)應用中的獨特表現為其贏(yíng)得了越來(lái)越大的市場(chǎng)。

TVS二極管最顯著(zhù)的特點(diǎn)一是反應迅速，使瞬時(shí)脈沖在沒(méi)有對線(xiàn)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TVS二極管設計的改進(jìn)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(shí)有更理想的性能表現 (圖1)。

TVS二極管的優(yōu)勢

TVS與齊納二極管：與傳統的齊納二極管相比，TVS二極管P/N結面積更大，這一結構上的改進(jìn)使TVS具有更強的高壓承受能力，同時(shí)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(jiǎn)便，但這類(lèi)器件對高壓的承受力 卻比較弱。5kV的沖擊會(huì )造成約10%陶瓷電容失效，到10kV時(shí)，損壞率達到60%，而TVS可以承受15kV電壓。在手持設備的使用過(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標準)，可見(jiàn)使用TVS可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。

TVS與MLV：多層金屬氧化物結構器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類(lèi)器件具有非線(xiàn)性電壓-電流(阻 抗表現)關(guān)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(xiàn)路和器件的保護，如電源回路。而TVS二極管具有更好的電壓截止 因子(圖2)，同時(shí)還具有較低的電容，這一點(diǎn)對于手持設備的高頻端口非常重要，因為過(guò)高的電容會(huì )影響數據傳輸，造成失真或是降級。TVS二極管的各種表面 封裝均適合流水線(xiàn)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(guò)濾保護等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設計。

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，現有很多將EMI過(guò)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(xiàn)時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。

TVS相關(guān)參數

處理瞬時(shí)脈沖對器件損害的最好辦法是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。TVS二極管在線(xiàn)路板上是與被保護線(xiàn)路并聯(lián)的，當瞬時(shí)電壓超 過(guò)電路正常工作電壓后，TVS二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結果是瞬時(shí)電流通過(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)被保護器件，并且在電壓回復正 常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當瞬時(shí)脈沖結束以后，TVS二極管自動(dòng)回復高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。許多器件在承受多次沖擊后，其參數及 性能會(huì )發(fā)生降級變化，而只要工作在限定范圍內，二極管是不會(huì )發(fā)生損壞或降級的。

從以上過(guò)程可以看出，在選擇TVS二極管時(shí)，必須注意以下幾個(gè)參數的選擇(圖3)：

1．為了滿(mǎn)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(chǎn)廠(chǎng)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便攜設備應用，設計者可以按需要挑選器件。

2．Vwm這是二極管在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應大于等于被保護電路的正常工作電壓，否則二極管會(huì )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(huì )在TVS工作以前使整個(gè)回路面對過(guò)壓威脅。

3．Vc這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(shí)通過(guò)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(shí)的峰值脈沖電流，對于手持設備，一般來(lái)說(shuō)500W的TVS就足夠了。

5．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(lái)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。

下面分別介紹幾種常見(jiàn)手持設備ESD保護對TVS的要求：

音頻輸入/輸出：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。有的設計中將耳機和麥 克風(fēng)合在一起，有的則是分立線(xiàn)路，前一種情況可以選擇單路TVS，而后一種情況如果兩個(gè)回路是鄰近的，則可以選用多路TVS陣列，只用一個(gè)器件就能完成兩 個(gè)回路的保護。

按鍵/開(kāi)關(guān)：這些回路的數據率很低，對器件的電容沒(méi)有特殊要求，用普通的TVS陣列都可以勝任。

數據視頻/USB2.0：數據率高達480Mbps，有的視頻數據率達到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(xiàn)路的電容(可低于3pF)，達到高速率回路的要求。

SIM卡/天線(xiàn)：有專(zhuān)門(mén)為此類(lèi)端口設計的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護于一個(gè)芯片的器件，充分體現了片式器件的無(wú)限集成方案。

電源/充電口：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)流保護功能的器件。

在針對不同用途選擇器件時(shí)，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(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當首先考慮。

眾多半導體廠(chǎng)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(lèi)的微型封裝，在板上只占約4.8mm2的 位置，卻可以同時(shí)保護多個(gè)線(xiàn)路。最近的許多新產(chǎn)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(gè)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(shí)需要這幾種保護功能的端口來(lái)說(shuō)，可謂設計者的首選。

PCB布局配合

對于便攜式設備來(lái)說(shuō)，各類(lèi)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。在使用TVS二極管保護ESD損害的同時(shí)，必須配合合理的PCB布局。

首先是要避免自感。對于ESD這樣巨變突發(fā)的脈沖，很可能會(huì )在回路中引起寄生自感，進(jìn)而對回路形成強大的電壓沖擊，并可能超 出IC的承受極限而造成損傷。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(xiàn)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(xiàn)路盡量接 近，這樣才會(huì )減少自感耦合到其它鄰近線(xiàn)路上的機會(huì )。

另外可應用下述原則對線(xiàn)路進(jìn)行優(yōu)化：

1．避免在保護線(xiàn)路附近走比較關(guān)鍵的信號線(xiàn)；

2．盡量將接口安排在同一個(gè)邊上；

3．避免被保護回路和未實(shí)施保護的回路并聯(lián)；

4．各類(lèi)信號線(xiàn)及其饋線(xiàn)所形成的回路所環(huán)繞面積要盡量小，必要時(shí)可考慮改變信號線(xiàn)或接地線(xiàn)的位置；

5．將接口信號線(xiàn)路和接地線(xiàn)路直接接到保護器件上，然后再進(jìn)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(diǎn)；

8．采用高集成度器件，二極管陣列不但可以大大節約線(xiàn)路板上的空間，而且減少了由于回路復雜可能誘發(fā)的寄生性線(xiàn)路自感的影響。

本文結論

使用TVS二極管對便攜設備實(shí)施ESD保護是一種方便、有效和可靠性高的途徑，根據具體用途合理選擇參數和集成度是成功應用的關(guān)鍵，另外優(yōu)化的PCB設計也是必不可少的。