ESD器件防護原理

小融一號

這里介紹手機中比較常用的TVS管和壓敏電阻。

一、ESD器件的主要性能參數

1、最大工作電壓(Max Working Voltage)
允許長期連續施加在ESD保護器件兩端的電壓(有效值)，在此工作狀態下ESD器件不導通，保持高阻狀態，反向漏電流很小。
2、擊穿電壓(Breakdown Voltage)
ESD器件開始動作(導通)的電壓。一般地，TVS管動作電壓比壓敏電阻低。
3、鉗位電壓(Clamping Voltage)
ESD器件流過峰值電流時，其兩端呈現的電壓，超過此電壓，可能造成ESD永久性損傷。
4、漏電流(Leakage Current)
在指定的直流電壓(一般指不超過最大工作電壓)的作用下，流過ESD器件的電流。一般地，TVS管的反向漏電流是nA級，壓敏電阻漏電流是μA級，此電流越小，對保護電路影響越小。
5、電容(Capacitance)
在給定電壓、頻率條件下測得的值，此值越小，對保護電路的信號傳輸影響越小。比如硅半導體TVS管的結電容(pF級)，壓敏電阻的寄生電容(nF級)
6、響應時間(Response Time)
指ESD器件對輸入的大電壓鉗制到預定電壓的時間。一般地，TVS管的響應時間是ns級，壓敏電阻是μs級，此時間越小，更能有效的保護電路中元器件。
7、壽命(ESD Pulse Withstanding)
  TVS技術利用的是半導體的鉗位原理，在經受瞬時高壓時，會立即將能量釋放出去，基本上沒有壽命限制；而壓敏電阻采用的是物理吸收原理，因此每經過一次ESD事件，材料就會受到一定的物理損傷，形成無法恢復的漏電通道，會隨著使用次數的增多性能下降，存在壽命限制。

二、TVS管(硅半導體)

瞬態抑制二極管（Transient Voltage Suppressor）簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護器件，利用P-N結的反向擊穿工作原理，將靜電的高壓脈沖導入地，從而保護了電器內部對靜電敏感的元件。以TVS二極管為例：當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便發生雪崩，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，整個回路進入正常電壓。TVS管的失效模式主要是短路，但當通過的過電流太大時，也可能造成TVS管被炸裂而開路。
TVS管有單向和雙向兩種，單向TVS管的特性與穩壓二極管相似，雙向TVS管的特性相當于兩個穩壓二極管反向串聯，其I-V曲線特性圖見圖1，圖中性能參數注解：
①反向斷態電壓(截止電壓) VRWM與反向漏電流IR：反向斷態電壓(截止電壓)VRWM表示TVS管不導通的最高電壓，在這個電壓下只有很小的反向漏電流IR。
②擊穿電壓VBR：TVS管通過規定的測試電流IT時的電壓，這是表示TVS管導通的標志電壓。
③脈沖峰值電流IPP：TVS管允許通過的10/1000μs波的最大峰值電流（8/20μs波的峰值電流約為其5倍左右，8/20μs是定義IPP脈沖波電流，請參考下圖2），超過這個電流值就可能造成永久性損壞。在同一個系列中，擊穿電壓越高的管子允許通過的峰值電流越小。
④最大箝位電壓VC：TVS管流過脈沖峰值電流IPP時兩端所呈現的電壓。
⑤正向導通電壓VF：TVS通過正向導通電流IF的壓降。
除上述性能參數外，TVS管還有一個關鍵參數：P-N結電容Cj。

圖1 TVS管I-V曲線特性圖

圖2

三、壓敏電阻(MLV/MOV)

多層壓敏電阻(MLV)及金屬氧化物壓敏電阻(MOV)利用ZnO等壓敏陶瓷材料的壓敏特性，實現了對靜電的防護，壓敏電阻器的電阻體材料是半導體，當施加于壓敏電阻器兩端電壓小于其壓敏電壓，壓敏電阻器相當于10MΩ以上絕緣電阻；當在壓敏電阻器兩端施加大于壓敏電壓的過電壓時，壓敏電阻器的電阻急劇下降呈現低阻態，從而把電荷快速導走，有效地保護了電路中的其它元器件不致過壓而損壞。壓敏電阻采用的是物理吸收原理，因此每經過一次ESD事件，材料就會受到一定的物理損傷，形成無法恢復的漏電通道，會隨著使用次數的增多性能下降，存在壽命限制問題。

壓敏電阻支持雙向保護，它的伏安特性是完全對稱的，見圖5，VW：正常工作電壓(Working Voltage)。IL：最大Vw工作條件下的漏電電流(Leakage Current)。壓敏電阻的失效模式主要是短路，但當通過的過電流太大時，也可能造成閥片被炸裂而開路。

圖5 ZnO等壓敏陶瓷材料的壓敏電阻I-V曲線特性圖

四、TVS管和壓敏電阻應用場合

通過對TVS管和壓敏電阻的性能對比，根據各自的優點，適合應用場合列下：
1、與壓敏電阻比較，TVS管具有響應時間快、鉗位電壓偏差小、結電容小、反向漏電流小和無壽命限制等優點，因而較適合于信號質量要求高、線漏電要求小等接口的ESD防護，比如高速數據信號傳輸線、時鐘線等。
2、與TVS管比較，壓敏電阻的擊穿電壓VBR和箝位電壓VC都相對高，通流能力相對強，具有更強的浪涌脈沖吸收能力，因而較適合于電源接口的ESD或浪涌防護。
3、對于兩者都適合的場合，考慮價格因素，選用壓敏電阻。










文章來源：微信公眾號   融創芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務平臺，項目眾包平臺）

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小融一號

stdtg123 發表于 2016-11-15 16:47
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