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TVS二極管:為便攜電子設(shè)備提供有效的ESD保護(hù)

作者: 時(shí)間:2017-06-06 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  保護(hù)對(duì)高密度、小型化和具有復(fù)雜功能的電子設(shè)備而言具有重要意義。本文探討了采用二極管防止時(shí),最小擊穿電壓和擊穿電流、最大反向漏電流和額定反向關(guān)斷電壓等參數(shù)對(duì)電路的影響及選擇準(zhǔn)則,并針對(duì)便攜消費(fèi)電子設(shè)備、機(jī)頂盒、以及個(gè)人電腦中的視頻線路保護(hù)、USB保護(hù)和RJ-45接口等介紹了一些典型應(yīng)用

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201706/349919.htm

  隨著移動(dòng)產(chǎn)品、打印機(jī)、PC,DVD、機(jī)頂盒(STB)等產(chǎn)品的迅速發(fā)展,消費(fèi)者正要求越來(lái)越先進(jìn)的性能。半導(dǎo)體組件日益趨向小型化、高密度和功能復(fù)雜化,特別是像時(shí)尚消費(fèi)電子和便攜式產(chǎn)品等對(duì)主板面積要求嚴(yán)格的應(yīng)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(xì)線寬布線的復(fù)雜半導(dǎo)體功能電路,對(duì)電路瞬變過(guò)程的影響更加敏感,將導(dǎo)致上述的問題更加激化。

保護(hù)原理

  電路保護(hù)元件存在幾種技術(shù),當(dāng)選擇電路保護(hù)元件時(shí),若設(shè)計(jì)師選擇不當(dāng)?shù)谋Wo(hù)器件將只能提供錯(cuò)誤的安全概念。電路保護(hù)元件的選擇應(yīng)根據(jù)所要保護(hù)的布線情況、可用的電路板空間以及被保護(hù)電路的電特性來(lái)決定。此外,了解保護(hù)元件的特性知識(shí)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()上的電壓,它是被保護(hù)IC的應(yīng)變電壓。。

  因?yàn)槔孟冗M(jìn)工藝技術(shù)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(hù)IC器件上產(chǎn)生較高的應(yīng)變電壓,并且增加了失效的概率。

  很多保護(hù)元件都被設(shè)計(jì)成可吸收大量的能量,由于元件結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)上的原因也導(dǎo)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(hù)。此外,由于變阻器的高電容他們也不能給高速數(shù)據(jù)線路提供保護(hù)。二極管正是為解決此問題而產(chǎn)生的,它已成為保護(hù)便攜電子設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)。

  TVS二極管是專門設(shè)計(jì)用于吸收ESD能量并且保護(hù)系統(tǒng)免遭ESD損害的固態(tài)元件。如果應(yīng)用得當(dāng),TVS二極管將限制跨在被保護(hù)器件上的電壓剛好高過(guò)額定工作電壓,但是卻遠(yuǎn)低于破壞閾值電壓。

TVS相關(guān)參數(shù)

  處理瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的最好辦法是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開。TVS二極管在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián),當(dāng)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(jié)果是瞬時(shí)電流通過(guò)二極管被引開,避開被保護(hù)器件,并且在電壓恢復(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(shí)脈沖結(jié)束以后,TVS二極管自動(dòng)回復(fù)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(shù)及性能會(huì)發(fā)生退化,而只要工作在限定范圍內(nèi),二極管將不會(huì)發(fā)生損壞或退化。

  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(shù)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(shí),低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過(guò)規(guī)定的1mA電流(IR)時(shí),加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。對(duì)于5%的VBR來(lái)說(shuō),VWM=0.85VBR;對(duì)于10%的VBR來(lái)說(shuō),VWM=0.81VBR。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(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。

2. 最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM。VWM這是二極管在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓,此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)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(hù)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(duì)過(guò)壓威脅。當(dāng)這個(gè)額定反向關(guān)斷電壓VWM加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài),流過(guò)它的電流應(yīng)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(dāng)持續(xù)時(shí)間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過(guò)TVS時(shí),在其兩端出現(xiàn)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?fàn)顟B(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(hù)回路的可承受極限電壓,否則器件面臨被損傷的危險(xiǎn)。

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(duì)于手持設(shè)備,一般來(lái)說(shuō)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(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且,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,有可能損壞TVS。

5. 電容量C。電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的,是在特定的1MHz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)。電容對(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,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3pF),而對(duì)電容要求不高的回路電容選擇可高于40pF。

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。

  如圖1所示,是便攜產(chǎn)品的底部連接器保護(hù)電路的示意圖,其中的數(shù)據(jù)線保護(hù)IC為NZQA5V6XV5T1、NZQA6V2XV5T1、NZQA6V8XV5T1、NZQA8V2XV5T1、NZQA5V6AXV5T1、NZQA6V8AXV5T1、MSQA6V1W5T2、SMF05T1和NSQA6V8AW5T2。

  以上產(chǎn)品都帶4個(gè)單相獨(dú)立線路ESD保護(hù),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(hù)器件;NZQA6V2XV5是6.2V單向式TVS保護(hù)器件;NZQA6V8XV5是6.8V單向式TVS保護(hù)器件;NZQA6V8AXV5是6.8V單向式、低電容TVS保護(hù)器件;NUP4102XV6是14V雙向式、低電容TVS。這些SOT5xx封裝的TVS器件均針對(duì)260℃回焊溫度處理工藝生產(chǎn),符合100%無(wú)鉛和靜電放電保護(hù)的要求,比傳統(tǒng)的SC88封裝減少電路板空間達(dá)36%,降低厚度40%,適合用于對(duì)電路板空間要求嚴(yán)格的便攜設(shè)備,如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器。

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)。

  如圖2所示,RJ-45數(shù)據(jù)線保護(hù)主要應(yīng)用了安森美公司的低電容瞬態(tài)電壓抑制二極管--SL05,工作電壓是5V。實(shí)際上該公司有一系列的SLXX產(chǎn)品,產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn),除了用在LAN/WAN設(shè)備上,還適合用于高速數(shù)據(jù)線保護(hù),移動(dòng)電話和USB端口的保護(hù)。

3. 視頻線路的保護(hù)

  目前視頻常見的輸出端口設(shè)計(jì)有D-SUB(如圖3)、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。ONSEMI半導(dǎo)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(hù),而它的后繼產(chǎn)品SRDA05-6能夠提供多達(dá)6路ESD保護(hù)。SRDA05-X系列產(chǎn)品適用于所有高速通訊線路的保護(hù)。

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。

  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(shí)保護(hù)多個(gè)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(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(gòu)成本和加工成本,對(duì)于同時(shí)需要這幾種保護(hù)功能的端口來(lái)說(shuō),可謂設(shè)計(jì)者的首選(圖4)。

5. USB保護(hù)

  一般USB的ESD保護(hù)分上行(圖5)和下行(圖6)兩種情況。針對(duì)USB 1.1的ESD保護(hù)下行主要采用了NUF2101,上行ESD保護(hù)采用STF202或者NUF2221W1T2。這些產(chǎn)品即能滿足USB線路終端的ESD保護(hù),還具有良好的濾波功能。

6. 音頻/揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)線路保護(hù)

  在音頻數(shù)據(jù)線路保護(hù)方面(圖6),由于音頻回路的信號(hào)速率比較低,對(duì)器件電容的要求不太高,100pF左右都是可以接受的。有的手機(jī)設(shè)計(jì)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(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(hù)。

7. 按鍵/開關(guān)

  對(duì)于按鍵和開關(guān)回路,這些回路的數(shù)據(jù)率很低,對(duì)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(jié)

  以上的產(chǎn)品主要是針對(duì)數(shù)據(jù)線路的ESD保護(hù)。在表1中所列器件中有四款是專為為USB、以太網(wǎng)、防火墻和其他高速數(shù)據(jù)應(yīng)用設(shè)計(jì)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(gè)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(hù),具有業(yè)界最低電容。這些新型保護(hù)器件均通過(guò)了15千伏接觸放電測(cè)試,測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)高于IEC61000的8千伏ESD標(biāo)準(zhǔn)。這些器件具有1.5皮法電容典型值,確保了數(shù)據(jù)線速度以及數(shù)據(jù)完整性。

  此外,對(duì)于便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō),各類集成電路的復(fù)雜性和精密度的提高使它們對(duì)ESD也更加敏感,以往的通用回路設(shè)計(jì)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(hù)ESD損害的同時(shí)避免自感。ESD設(shè)計(jì)很可能會(huì)在回路中引起寄生自感,會(huì)對(duì)回路有強(qiáng)大的電壓沖擊,導(dǎo)致超出IC的承受極限而造成損壞。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(huì)減少自感耦合到其它鄰近線路上的機(jī)會(huì)。

  在電路板設(shè)計(jì)中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):盡量避免在保護(hù)線路附近走比較關(guān)鍵的信號(hào)線,盡量將接口安排在同一個(gè)邊上;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;避免被保護(hù)回路和未實(shí)施保護(hù)的回路并聯(lián),將接口信號(hào)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,將復(fù)位、中斷、控制信號(hào)遠(yuǎn)離輸入/輸出口,遠(yuǎn)離PCB的邊緣;各類信號(hào)線及其饋線所形成的回路所環(huán)繞面積要盡量小,必要時(shí)可考慮改變信號(hào)線或接地線的位置;在可能的地方都加入接地點(diǎn)。

作者:杜玉廣,Email: atumudyg@163.com,世平集團(tuán)公司



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