TVS二極管在便攜設(shè)備ESD保護中的應(yīng)用

便攜式設(shè)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(yīng)用時應(yīng)當(dāng)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(yīng)的參數(shù)鑒別以及各個生產(chǎn)商的不同設(shè)計，同時還要進行合理的PCB布局。本文介紹在便攜式設(shè)備的ESD保護 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、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(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。

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行防靜電保護， 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

可用于便攜式設(shè)備的ESD保護器件有很多，例如設(shè)計人員可用分立器件搭建保護回路，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行防護，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(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，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，避開被保護器件，并且在電壓回復(fù)正 常值之前使被保護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。

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。

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480Mbps，有的視頻數(shù)據(jù)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二極管串聯(lián)，以降低整個線路的電容(可低于3pF)，達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(fù)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會。

另外可應(yīng)用下述原則對線路進行優(yōu)化：

1．避免在保護線路附近走比較關(guān)鍵的信號線；

2．盡量將接口安排在同一個邊上；

3．避免被保護回路和未實施保護的回路并聯(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器件上，然后再進入回路的其它部分；

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；

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。