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隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)前半導(dǎo)體器件日益趨向小型化、高密度和多功能化，特別是像時(shí)尚消費(fèi)電子和便攜式產(chǎn)品等對(duì)主板面積要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用，很容易受到靜電放電(ESD)的影響。電路保護(hù)元件的選擇根據(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。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。而且一些采用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，這將導(dǎo)致上述問(wèn)題加重。因此要求保護(hù)器件必須具備低箝位電壓以提供有效的ESD保護(hù)；而且響應(yīng)時(shí)間快以滿足高速數(shù)據(jù)線路的要求；封裝集成度高以適用便攜設(shè)備印制電路板面緊張的情況；同時(shí)還要保證多次ESD過(guò)程后不會(huì)劣化以保證高檔設(shè)備應(yīng)有的品質(zhì)。TVS(Transient Voltage Suppresser瞬態(tài)電壓抑制器)正是為解決這些問(wèn)題而產(chǎn)生的，它已成為保護(hù)電子信息設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)器件。 TVS的特性與工作原理 TVS是普遍使用的一種新型高效電路保護(hù)器件，它具有極快的響應(yīng)時(shí)間(亞納秒級(jí))和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，TVS能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕找粋�(gè)瞬間大電流，從而把它的兩端電壓箝制在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而保護(hù)后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因?yàn)槿绱耍琓VS可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過(guò)電壓。圖1所示為TVS的符號(hào)及伏安特性曲線。 TVS管和穩(wěn)壓管一樣，也是反向應(yīng)用的。其中VR稱為最大轉(zhuǎn)折電壓，是反向擊穿之前的臨界電壓。VB是擊穿電壓，其對(duì)應(yīng)的反向電流IT一般取值為1 mA。VC是最大箝位電壓，當(dāng)TVS管中流過(guò)的峰值電流為IPP的大電流時(shí)，管子兩端電壓就不再上升了。因此TVS管能夠始終把被保護(hù)的器件或設(shè)備的端口電壓限制在VB～VC的有效區(qū)內(nèi)。與穩(wěn)壓管不同的是，IPP的數(shù)值可達(dá)數(shù)百安培，而箝位響應(yīng)時(shí)間僅為1×10-12s。TVS的最大允許脈沖功率為PM=VCIPP，且在給定最大鉗位電壓下，功耗PM越大，其浪涌電流的承受能力越大。 圖2是在雙蹤示波器上觀察到的TVS管在承受大電流沖擊時(shí)的電流及電壓波形。圖中，曲線1是TVS管中的電流波形，可以看出：其流過(guò)TVS管的電流由1mA突然上升到峰值后，然后按指數(shù)規(guī)律下降。曲線2是TVS管兩端的電壓波形，它表示TVS中的電流突然上升時(shí)，TVS兩端電壓也隨之上升。在浪涌電壓的作用下，TVS兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VRWM上升到擊穿電壓VB而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過(guò)TVS的電流將達(dá)到峰值脈沖電流IPP，同時(shí)其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，該過(guò)程中，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是TVS抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護(hù)電子元器件的過(guò)程。事實(shí)上，當(dāng)TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí)，它能以10-12s級(jí)的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，以吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預(yù)定值，從而有效地保護(hù)電子設(shè)備中的元器件免受ESD的損害。 TVS的分類及選用方法 TVS器件按極性可分為單極性和雙極性兩種；按用途可分為通用型和專用型；按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為軸向引線二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可達(dá)400 W、500 W、600W、1500W和5 000W。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝場(chǎng)合。對(duì)于高密度安裝的場(chǎng)合，也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。 在選用TVS時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)主要因素： (1)若TVS有可能承受來(lái)自兩個(gè)方向的尖峰脈沖電壓(浪涌電壓)沖擊時(shí)，應(yīng)當(dāng)選用雙極性的，否則可選用單極性。 (2)所選用TVS的Vc值應(yīng)低于被保護(hù)元件的最高電壓。Vc是二極管在截止?fàn)顟B(tài)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，否則器件面臨被損壞的危險(xiǎn)。 (3)TVS在正常工作狀態(tài)下不要處于擊穿狀態(tài)，最好處于VR以下，應(yīng)綜合考慮VR和VC兩方面的要求來(lái)選擇適當(dāng)?shù)腡VS。 (4)如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流IPP，則可利用VCIpp來(lái)確定功率；如果無(wú)法確定IPP的大致范圍，則選用功率大些的TVS為好。PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功率耗散值。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)。 (5)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，不然有可能損壞TVS。 (6)對(duì)于小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，一般不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。但這樣可能選用峰值功率較小的TVS管來(lái)對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。 (7)電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，這是在特定的1 MHz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)。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)度也大，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3 pF)，而對(duì)電容要求不高的回路，電容的容量選擇可高于40 pF。 (8)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8 kV(接觸)和15 kV(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)。而對(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。 基于TVS的ESD防護(hù) 處理瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的最好辦法，就是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。方法是TVS二極管在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)。這樣當(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，以提供給瞬時(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(kāi)，從而避開(kāi)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)同復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓狀態(tài)。 便攜產(chǎn)品底部連接器的保護(hù) 底部連接器設(shè)計(jì)廠泛應(yīng)用在移動(dòng)消費(fèi)類產(chǎn)品上，目前市場(chǎng)上的應(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。在這些產(chǎn)品中，當(dāng)數(shù)據(jù)線接口與外部設(shè)備連接時(shí)，可能會(huì)受到高能量的沖擊，故可采用如圖3所示的TVS橋式保護(hù)電路。目前，集成有TVS和過(guò)流保護(hù)功能的常見(jiàn)器件有：NZQA系列、MSQA系列、NSQA系列和SMF系列，以上產(chǎn)品都帶4個(gè)單相獨(dú)立線路ESD保護(hù)，其中NZQA系列的封裝形式是SOT-553，其它三個(gè)系列的封裝形式是SC-88A。由于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)要求，因而比傳統(tǒng)的封裝可減少電路板空間達(dá)36％，厚度降低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播放器等。 視頻線路的保護(hù) 視頻數(shù)據(jù)線具有高數(shù)據(jù)傳輸率，(其數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)480 Mbps，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，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3 pF)，從而達(dá)到高速率回路的要求。目前視頻常見(jiàn)的輸出端口設(shè)計(jì)有D-SUB、DVI(28線)、SCART(19線)和D-TERMINAL(主要日系產(chǎn)品在用)。如圖4所示為D-SUB端口視頻線路的．ESD保護(hù)電路。 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)品設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在針對(duì)不同的用途選擇器件時(shí)，要避免使器件工作在其設(shè)計(jì)參數(shù)的極限附近，還應(yīng)根據(jù)被保護(hù)回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征來(lái)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)重點(diǎn)考慮。圖5所示為SIM卡數(shù)據(jù)線路保護(hù)電路。最近的許多新產(chǎn)品更能適應(yīng)便攜設(shè)備高集成度、小型化要求，將ESD(TVS)／EMI／RFI保護(hù)集成在一個(gè)芯片的器件中，不但可以有效縮小空間，還可大大減少器件采購(gòu)成本和加工成本. USB保護(hù) 通用串行總線(USB)技術(shù)是連接PC到不同外部設(shè)備的新方法。可實(shí)現(xiàn)PC、服務(wù)器、筆記本和集線器等實(shí)現(xiàn)下游端口與外設(shè)端的上游端口的數(shù)據(jù)交換。現(xiàn)在的USB技術(shù)有兩種數(shù)據(jù)速率：低速(1．5Mb／s)和全速(12Mb／s)。12Mb／s的USB數(shù)據(jù)流比并行端口快10倍，比標(biāo)準(zhǔn)串口快100倍。頻率的增加必須相應(yīng)地有適應(yīng)ESD敏感度的器件，圖6所示是快速響應(yīng)的TVS應(yīng)用電路，能滿足USB線路終端的ESD保護(hù)，同時(shí)具有良好的低通濾波功能。 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，由于音頻同路的信號(hào)速率比較低，且對(duì)電容器件的要求不太高(100 pF左右都是可以接受的)。事實(shí)上，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，而對(duì)于后一種情況，如果兩個(gè)回路是鄰近的，則可以選用多路TVS陣列，這樣，只用一個(gè)器件就能完成兩個(gè)回路的保護(hù)圖7所示是一種音頻／揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)線路的保護(hù)電路。 按鍵，開(kāi)關(guān)保護(hù) 由于按鍵和開(kāi)關(guān)回路的數(shù)據(jù)率很低，對(duì)器件的電容沒(méi)有特殊要求，因此，使用普通的TVS陣列都可以勝任。 PCB設(shè)計(jì)與布局 PCB設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng) 對(duì)于本設(shè)計(jì)，在PCB設(shè)計(jì)中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1)比較關(guān)鍵的信號(hào)線應(yīng)盡量避開(kāi)保護(hù)線路，并應(yīng)盡量將接口安排在同一個(gè)邊上； (2)避免被保護(hù)回路和未實(shí)施保護(hù)的回路并聯(lián)，應(yīng)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； (3)各類信號(hào)線及其饋線所形成的回路所環(huán)繞的面積要盡量小，以減少輻射噪聲，必要時(shí)可考慮改變信號(hào)線或接地線的位置； (4)將復(fù)位、中斷、控制信號(hào)遠(yuǎn)離輸入／輸出口，并遠(yuǎn)離PCB的邊緣； (5)采用高集成器件或二極管陣列不但可以大大節(jié)約線路板上的空間，而且可減少由于回路復(fù)雜而可能誘發(fā)的寄生性線路自感影響； (6)在可能的地方都加入接地點(diǎn)，在電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循"一點(diǎn)接地"原則。 PCB的布局 合理的PCB布局最重要的是要在使用TVS二極管保護(hù)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，并對(duì)回路形成強(qiáng)大的電壓沖擊，從而使IC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，而ESD沖擊的瞬變特征極易誘發(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，因此，必須考慮包括接地回路、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，只有將TVS器件與接口盡量接近，并與被保護(hù)線路盡量接近，才會(huì)減少自感耦合到其它鄰近線路上的機(jī)會(huì)。 結(jié)束語(yǔ) 使用TVS對(duì)信息設(shè)備實(shí)施ESD保護(hù)是一種方便、有效且可靠的途徑，與其它元件相比，TVS有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但在具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的保護(hù)對(duì)象來(lái)選用元件，并且要注意相應(yīng)的參數(shù)以及各個(gè)生產(chǎn)廠商的不同設(shè)計(jì)，同時(shí)最佳化的PCB設(shè)計(jì)也是必不可少的。 |
