隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展,當前半導(dǎo)體器件日益趨向小型化、高密度和多功能化,特別是像時尚消費電子和便攜式產(chǎn)品等對主板面積要求比較嚴格的應(yīng)用,很容易受到靜電放電(ESD)的影響。電路保護元件的選擇根據(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。因為利用先進工藝技術(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線寬布線的復(fù)雜半導(dǎo)體功能電路,對電路瞬變過程的影響更加敏感,這將導(dǎo)致上述問題加重。因此要求保護器件必須具備低箝位電壓以提供有效的ESD保護;而且響應(yīng)時間快以滿足高速數(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;同時還要保證多次ESD過程后不會劣化以保證高檔設(shè)備應(yīng)有的品質(zhì)。TVS(Transient Voltage Suppresser瞬態(tài)電壓抑制器)正是為解決這些問題而產(chǎn)生的,它已成為保護電子信息設(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器件,它具有極快的響應(yīng)時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力。當它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時,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,以吸收一個瞬間大電流,從而把它的兩端電壓箝制在一個預(yù)定的數(shù)值上,從而保護后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因為如此,TVS可用于保護設(shè)備或電路免受靜電、電感性負載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓,以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。圖1所示為TVS的符號及伏安特性曲線。 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,其對應(yīng)的反向電流IT一般取值為1 mA。VC是最大箝位電壓,當TVS管中流過的峰值電流為IPP的大電流時,管子兩端電壓就不再上升了。因此TVS管能夠始終把被保護的器件或設(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)值可達數(shù)百安培,而箝位響應(yīng)時間僅為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,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TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP,同時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,保護電子元器件的過程。事實上,當TVS兩極受到反向高能量沖擊時,它能以10-12s級的速度,將其兩極間的阻抗由高變低,以吸收高達數(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合。對于高密度安裝的場合,也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。 在選用TVS時,應(yīng)考慮以下幾個主要因素: (1)若TVS有可能承受來自兩個方向的尖峰脈沖電壓(浪涌電壓)沖擊時,應(yīng)當選用雙極性的,否則可選用單極性。 (2)所選用TVS的Vc值應(yīng)低于被保護元件的最高電壓。Vc是二極管在截止狀態(tài)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,否則器件面臨被損壞的危險。 (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兩方面的要求來選擇適當?shù)腡VS。 (4)如果知道比較準確的浪涌電流IPP,則可利用VCIpp來確定功率;如果無法確定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)時間與間歇時間之比)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)對于小電流負載的保護,可有意識地在線路中增加限流電阻,只要限流電阻的阻值適當,一般不會影響線路的正常工作,但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會大大減小。但這樣可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負載線路進行保護。 (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)。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也大,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3 pF),而對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國際標準,TVS二極管必須達到可以處理最小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準。而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。 基于TVS的ESD防護 處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法,就是將瞬時電流從敏感器件引開。方法是TVS二極管在線路板上與被保護線路并聯(lián)。這樣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,以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,從而避開被保護器件,并且在電壓恢復(fù)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(jié)束以后,TVS二極管自動同復(fù)高阻狀態(tài),整個回路進入正常電壓狀態(tài)。 便攜產(chǎn)品底部連接器的保護 底部連接器設(shè)計廠泛應(yīng)用在移動消費類產(chǎn)品上,目前市場上的應(yīng)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。在這些產(chǎn)品中,當數(shù)據(jù)線接口與外部設(shè)備連接時,可能會受到高能量的沖擊,故可采用如圖3所示的TVS橋式保護電路。目前,集成有TVS和過流保護功能的常見器件有:NZQA系列、MSQA系列、NSQA系列和SMF系列,以上產(chǎn)品都帶4個單相獨立線路ESD保護,其中NZQA系列的封裝形式是SOT-553,其它三個系列的封裝形式是SC-88A。由于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要求,因而比傳統(tǒng)的封裝可減少電路板空間達36%,厚度降低40%,適合用于對電路板空間要求嚴格的便攜設(shè)備,如手機、數(shù)碼相機、MP3播放器等。 視頻線路的保護 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480 Mbps,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,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3 pF),從而達到高速率回路的要求。目前視頻常見的輸出端口設(shè)計有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保護電路。 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)品設(shè)計重點。在針對不同的用途選擇器件時,要避免使器件工作在其設(shè)計參數(shù)的極限附近,還應(yīng)根據(jù)被保護回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征來選用反應(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)當重點考慮。圖5所示為SIM卡數(shù)據(jù)線路保護電路。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保護集成在一個芯片的器件中,不但可以有效縮小空間,還可大大減少器件采購成本和加工成本. USB保護 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?蓪崿F(xiàn)PC、服務(wù)器、筆記本和集線器等實現(xiàn)下游端口與外設(shè)端的上游端口的數(shù)據(jù)交換,F(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,比標準串口快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,同時具有良好的低通濾波功能。 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,由于音頻同路的信號速率比較低,且對電容器件的要求不太高(100 pF左右都是可以接受的)。事實上,有的手機設(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,而對于后一種情況,如果兩個回路是鄰近的,則可以選用多路TVS陣列,這樣,只用一個器件就能完成兩個回路的保護圖7所示是一種音頻/揚聲器數(shù)據(jù)線路的保護電路。 按鍵,開關(guān)保護 由于按鍵和開關(guān)回路的數(shù)據(jù)率很低,對器件的電容沒有特殊要求,因此,使用普通的TVS陣列都可以勝任。 PCB設(shè)計與布局 PCB設(shè)計的注意事項 對于本設(shè)計,在PCB設(shè)計中,應(yīng)注意以下幾點: (1)比較關(guān)鍵的信號線應(yīng)盡量避開保護線路,并應(yīng)盡量將接口安排在同一個邊上; (2)避免被保護回路和未實施保護的回路并聯(lián),應(yīng)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; (3)各類信號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,必要時可考慮改變信號線或接地線的位置; (4)將復(fù)位、中斷、控制信號遠離輸入/輸出口,并遠離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,在電路系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)遵循"一點接地"原則。 PCB的布局 合理的PCB布局最重要的是要在使用TVS二極管保護的同時避免自感。ESD設(shè)計很可能會在回路中引起寄生自感,并對回路形成強大的電壓沖擊,從而使IC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,而ESD沖擊的瞬變特征極易誘發(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,因此,必須考慮包括接地回路、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,只有將TVS器件與接口盡量接近,并與被保護線路盡量接近,才會減少自感耦合到其它鄰近線路上的機會。 結(jié)束語 使用TVS對信息設(shè)備實施ESD保護是一種方便、有效且可靠的途徑,與其它元件相比,TVS有其獨特的優(yōu)勢。但在具體應(yīng)用時應(yīng)當針對不同的保護對象來選用元件,并且要注意相應(yīng)的參數(shù)以及各個生產(chǎn)廠商的不同設(shè)計,同時最佳化的PCB設(shè)計也是必不可少的。 |