TVS二極管:為便攜電子設備提供有效的ESD保護
ESD保護對高密度、小型化和具有復雜功能的電子設備而言具有重要意義。本文探討了采用TVS二極管防止ESD時,最小擊穿電壓和擊穿電流、最大反向漏電流和額定反向關斷電壓等參數(shù)對電路的影響及選擇準則,并針對便攜消費電子設備、機頂盒、以及個人電腦中的視頻線路保護、USB保護和RJ-45接口等介紹了一些典型應用
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/349919.htm隨著移動產(chǎn)品、打印機、PC,DVD、機頂盒(STB)等產(chǎn)品的迅速發(fā)展,消費者正要求越來越先進的性能。半導體組件日益趨向小型化、高密度和功能復雜化,特別是像時尚消費電子和便攜式產(chǎn)品等對主板面積要求嚴格的應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線寬布線的復雜半導體功能電路,對電路瞬變過程的影響更加敏感,將導致上述的問題更加激化。
ESD保護原理
電路保護元件存在幾種技術,當選擇電路保護元件時,若設計師選擇不當?shù)谋Wo器件將只能提供錯誤的安全概念。電路保護元件的選擇應根據(jù)所要保護的布線情況、可用的電路板空間以及被保護電路的電特性來決定。此外,了解保護元件的特性知識也非常必要,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(TVS)上的電壓,它是被保護IC的應變電壓。。
因為利用先進工藝技術制造的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IC器件上產(chǎn)生較高的應變電壓,并且增加了失效的概率。
很多保護元件都被設計成可吸收大量的能量,由于元件結構或設計上的原因也導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。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。TVS二極管正是為解決此問題而產(chǎn)生的,它已成為保護便攜電子設備的關鍵性技術。
TVS二極管是專門設計用于吸收ESD能量并且保護系統(tǒng)免遭ESD損害的固態(tài)元件。如果應用得當,TVS二極管將限制跨在被保護器件上的電壓剛好高過額定工作電壓,但是卻遠低于破壞閾值電壓。
TVS相關參數(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二極管在線路板上與被保護線路并聯(lián),當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,并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當瞬時脈沖結束以后,TVS二極管自動回復高阻狀態(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)生退化,而只要工作在限定范圍內,二極管將不會發(fā)生損壞或退化。
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:
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,低于這個電壓TVS是不會發(fā)生雪崩的。當TVS流過規(guī)定的1mA電流(IR)時,加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度,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. 最大反向漏電流ID和額定反向關斷電壓VWM。VWM這是二極管在正常狀態(tài)時可承受的電壓,此電壓應大于或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。當這個額定反向關斷電壓VWM加于TVS的兩極間時它處于反向關斷狀態(tài),流過它的電流應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。當持續(xù)時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時,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是二極管在截止狀態(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)時間和環(huán)境溫度有關。而且,TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復的,器件規(guī)定的脈沖重復頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現(xiàn)重復性脈沖,應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。
ESD應用
1.底部連接器的應用
底部連接器設計廣泛應用在移動消費類產(chǎn)品上,目前市場上應用產(chǎn)品主要為移動電話、PDA、DSC(數(shù)碼相機)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。
如圖1所示,是便攜產(chǎn)品的底部連接器保護電路的示意圖,其中的數(shù)據(jù)線保護IC為NZQA5V6XV5T1、NZQA6V2XV5T1、NZQA6V8XV5T1、NZQA8V2XV5T1、NZQA5V6AXV5T1、NZQA6V8AXV5T1、MSQA6V1W5T2、SMF05T1和NSQA6V8AW5T2。
以上產(chǎn)品都帶4個單相獨立線路ESD保護,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保護器件;NZQA6V2XV5是6.2V單向式TVS保護器件;NZQA6V8XV5是6.8V單向式TVS保護器件;NZQA6V8AXV5是6.8V單向式、低電容TVS保護器件;NUP4102XV6是14V雙向式、低電容TVS。這些SOT5xx封裝的TVS器件均針對260℃回焊溫度處理工藝生產(chǎn),符合100%無鉛和靜電放電保護的要求,比傳統(tǒng)的SC88封裝減少電路板空間達36%,降低厚度40%,適合用于對電路板空間要求嚴格的便攜設備,如手機、數(shù)碼相機、MP3播放器。
2 RJ-45(10/100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡)
RJ-45接口廣泛應用在網(wǎng)絡連接的接口設備上,典型的應用就是10/100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡。
如圖2所示,RJ-45數(shù)據(jù)線保護主要應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)標準,除了用在LAN/WAN設備上,還適合用于高速數(shù)據(jù)線保護,移動電話和USB端口的保護。
3. 視頻線路的保護
目前視頻常見的輸出端口設計有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480Mbps,有的視頻數(shù)據(jù)傳輸率達到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。ONSEMI半導體公司的SRDA05-4具有良好的低電容特性,能夠提供4路ESD保護,而它的后繼產(chǎn)品SRDA05-6能夠提供多達6路ESD保護。SRDA05-X系列產(chǎn)品適用于所有高速通訊線路的保護。
4. SIM卡數(shù)據(jù)線路保護
SIM卡數(shù)據(jù)線路保護一直是各個公司的產(chǎn)品重點,而且專門為此類端口設計的集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。
在針對不同用途選擇器件時,要避免使器件工作在其設計參數(shù)極限附近,還應根據(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)品更是適應便攜設備高集成度、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,可謂設計者的首選(圖4)。
5. USB保護
一般USB的ESD保護分上行(圖5)和下行(圖6)兩種情況。針對USB 1.1的ESD保護下行主要采用了NUF2101,上行ESD保護采用STF202或者NUF2221W1T2。這些產(chǎn)品即能滿足USB線路終端的ESD保護,還具有良好的濾波功能。
6. 音頻/揚聲器數(shù)據(jù)線路保護
在音頻數(shù)據(jù)線路保護方面(圖6),由于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。有的手機設計中將耳機和麥克風合在一起,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。
7. 按鍵/開關
對于按鍵和開關回路,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。
本文總結
以上的產(chǎn)品主要是針對數(shù)據(jù)線路的ESD保護。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)應用設計的濾波器。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,具有業(yè)界最低電容。這些新型保護器件均通過了15千伏接觸放電測試,測試標準高于IEC61000的8千伏ESD標準。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,對于便攜式設備來說,各類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。合理的PCB布局最重要的是要在使用TVS二極管保護ESD損害的同時避免自感。ESD設計很可能會在回路中引起寄生自感,會對回路有強大的電壓沖擊,導致超出IC的承受極限而造成損壞。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。
在電路板設計中還應注意以下幾點:盡量避免在保護線路附近走比較關鍵的信號線,盡量將接口安排在同一個邊上;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雜可能誘發(fā)的寄生性線路自感的影響;避免被保護回路和未實施保護的回路并聯(lián),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,將復位、中斷、控制信號遠離輸入/輸出口,遠離PCB的邊緣;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;在可能的地方都加入接地點。
作者:杜玉廣,Email: atumudyg@163.com,世平集團公司
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