TVS ESD 二極管的特點(diǎn)優(yōu)勢與選型
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(shí)應(yīng)當(dāng)針對不同的保護(hù)對象來選用器件，因?yàn)椴煌亩丝诳赡苁艿降撵o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(gè)生產(chǎn)商的不同設(shè)計(jì)，同時(shí)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(huì)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?，F(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(gè)脈沖持續(xù)時(shí)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(gè)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(huì)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(huì)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)有更理想的性能表現(xiàn)。
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(shí)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(jì)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(jì)簡便，但這類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(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(gè)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(shí)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，同時(shí)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?yàn)檫^高的電容會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸，造成失真或是降級(jí)。
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(jì)。
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(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(jì)所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免 PCB板上布線時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。
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(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。
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)回路面對過壓威脅。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。對于手持設(shè)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(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)。電容對于數(shù)據(jù)/信號(hào)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(hào)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。
