TVS二極管在便攜設(shè)備ESD保護(hù)中的應(yīng)用

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，但在應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)針對不同的保護(hù)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(hù)程度也有不同。要注意相應(yīng)的參數(shù)鑒別以及各個生產(chǎn)商的不同設(shè)計，同時還要進(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，如果沒有選擇合適的保護(hù)器件，可能會造成機(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)量問題而損壞企業(yè)信譽(yù)。

一般情況下，對此類設(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、電源接口、數(shù)據(jù)口、I/O口等等。現(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(xù)時間不超過60ns。在這樣的脈沖下所產(chǎn)生的能量總共不超過幾百個微焦?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，有的甚至還會造成對設(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)計人員可用分立器件搭建保護(hù)回路，但由于便攜設(shè)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(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)為其贏得了越來越大的市場。

TVS二極管最顯著的特點(diǎn)一是反應(yīng)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(huán)境。另外對TVS二極管設(shè)計的改進(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)回路的靜電沖擊時有更理想的性能表現(xiàn) (圖1)。

TVS二極管的優(yōu)勢

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，同時也降低了電壓截止率，因而對于保護(hù)手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。

TVS與陶瓷電容：很多設(shè)計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(dá)到60%，而TVS可以承受15kV電壓。在手持設(shè)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(biāo)準(zhǔn))，可見使用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(圖2)，同時還具有較低的電容，這一點(diǎn)對于手持設(shè)備的高頻端口非常重要，因為過高的電容會影響數(shù)據(jù)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過濾保護(hù)等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設(shè)計。

另一個不能忽略的特點(diǎn)是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個芯片上，現(xiàn)有很多將EMI過濾和RFI防護(hù)等功能與TVS集成在一起的器件，不但減少設(shè)計所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免PCB板上布線時易誘發(fā)的伴生自感。

TVS相關(guān)參數(shù)

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二極管在線路板上是與被保護(hù)線路并聯(lián)的，當(dāng)瞬時電壓超 過電路正常工作電壓后，TVS二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時電流通過二極管被引開，避開被保護(hù)器件，并且在電壓回復(fù)正 常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動回復(fù)高阻狀態(tài)，整個回路進(jìn)入正常電壓。許多器件在承受多次沖擊后，其參數(shù)及 性能會發(fā)生降級變化，而只要工作在限定范圍內(nèi)，二極管是不會發(fā)生損壞或降級的。

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(圖3)：

1．為了滿足IEC61000-4-2國際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管必須達(dá)到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(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)。對于某些有特殊要求的便攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計者可以按需要挑選器件。

2．Vwm這是二極管在正常狀態(tài)時可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于等于被保護(hù)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(hù)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。

3．Vc這是二極管在截止?fàn)顟B(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(hù)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(shè)備，一般來說500W的TVS就足夠了。

5．電容對于數(shù)據(jù)/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(qiáng)度，因此需要根據(jù)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(yīng)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手持設(shè)備ESD保護(hù)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(shè)計中將耳機(jī)和麥 克風(fēng)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(hù)。

按鍵/開關(guān)：這些回路的數(shù)據(jù)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。

數(shù)據(jù)視頻/USB2.0：數(shù)據(jù)率高達(dá)480Mbps，有的視頻數(shù)據(jù)率達(dá)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(lián)，以降低整個線路的電容(可低于3pF)，達(dá)到高速率回路的要求。

SIM卡/天線：有專門為此類端口設(shè)計的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護(hù)于一個芯片的器件，充分體現(xiàn)了片式器件的無限集成方案。

電源/充電口：由于是直流回路，可選用高電容器件。此端口可能會受到高能量的沖擊，可以選用集成了TVS和過流保護(hù)功能的器件。

在針對不同用途選擇器件時，要避免使器件工作在其設(shè)計參數(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。

眾多半導(dǎo)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(hù)多個線路。最近的許多新產(chǎn)品更是適應(yīng)便攜設(shè)備高集成度、小型化要求，將EMI/RFI/ESD保護(hù)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(hù)功能的端口來說，可謂設(shè)計者的首選。

PCB布局配合

對于便攜式設(shè)備來說，各類集成電路的復(fù)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(shè)計也不再適合。在使用TVS二極管保護(hù)ESD損害的同時，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，很可能會在回路中引起寄生自感，進(jìn)而對回路形成強(qiáng)大的電壓沖擊，并可能超 出IC的承受極限而造成損傷。負(fù)載產(chǎn)生的自感電壓與電源變化強(qiáng)度成正比，ESD沖擊的瞬變特征易于誘發(fā)高強(qiáng)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(hù)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(yīng)與接口盡量接近，與被保護(hù)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(jī)會。

另外可應(yīng)用下述原則對線路進(jìn)行優(yōu)化：

1．避免在保護(hù)線路附近走比較關(guān)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(hù)回路和未實施保護(hù)的回路并聯(lián)；

4．各類信號線及其饋線所形成的回路所環(huán)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(hù)器件上，然后再進(jìn)入回路的其它部分；

6．將復(fù)位、中斷、控制信號遠(yuǎn)離輸入/輸出口，遠(yuǎn)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(jié)約線路板上的空間，而且減少了由于回路復(fù)雜可能誘發(fā)的寄生性線路自感的影響。

本文結(jié)論

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