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隨著電子信息技術的迅速發展，當前半導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品等對主板面積要求比較嚴格的應用，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雜半導體功能電路，對電路瞬變過程的影響更加敏感，這將導致上述問題加重。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；而且響應時間快以滿足高速數據線路的要求；封裝集成度高以適用便攜設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備應有的品質。TVS(Transient Voltage Suppresser瞬態電壓抑制器)正是為解決這些問題而產生的，它已成為保護電子信息設備的關鍵性技術器件。 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，它具有極快的響應時間(亞納秒級)和相當高的浪涌吸收能力。當它的兩端經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為低阻抗，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定的數值上，從而保護后面的電路元件不受瞬態高壓尖峰脈沖的沖擊。正因為如此，TVS可用于保護設備或電路免受靜電、電感性負載切換時產生的瞬變電壓，以及感應雷所產生的過電壓。圖1所示為TVS的符號及伏安特性曲線。 TVS管和穩壓管一樣，也是反向應用的。其中VR稱為最大轉折電壓，是反向擊穿之前的臨界電壓。VB是擊穿電壓，其對應的反向電流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備的端口電壓限制在VB～VC的有效區內。與穩壓管不同的是，IPP的數值可達數百安培，而箝位響應時間僅為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，然后按指數規律下降。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，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定的最大箝位電壓VC以下。其后，隨著脈沖電流按指數衰減，該過程中，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到初態，這就是TVS抑制可能出現的浪涌脈沖功率，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，以吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預定值，從而有效地保護電子設備中的元器件免受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；按封裝和內部結構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。軸向引線的產品峰值功率可達400 W、500 W、600W、1500W和5 000W。其中大功率的產品主要用在電源饋線上，低功率產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，應當選用雙極性的，否則可選用單極性。 (2)所選用TVS的Vc值應低于被保護元件的最高電壓。Vc是二極管在截止狀態的電壓，也就是在ESD沖擊狀態時通過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在正常工作狀態下不要處于擊穿狀態，最好處于VR以下，應綜合考慮VR和VC兩方面的要求來選擇適當的TVS。 (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、持續時間和環境溫度有關。 (5)TVS所能承受的瞬態脈沖是不重復的，器件規定的脈沖重復頻率(持續時間與間歇時間之比)為0．01％。如果電路內出現重復性脈沖，應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是數據接口電路選用TVS的重要參數。對于數據／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，有的半導體生產廠商在自己的產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備應用，設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。這樣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，以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，從而避開被保護器件，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二極管自動同復高阻狀態，整個回路進入正常電壓狀態。 便攜產品底部連接器的保護 底部連接器設計廠泛應用在移動消費類產品上，目前市場上的應用產品主要為移動電話、PDA、DSC(數碼相機)以及MP3等便攜產品。在這些產品中，當數據線接口與外部設備連接時，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，符合100％無鉛和靜電放電保護要求，因而比傳統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備，如手機、數碼相機、MP3播放器等。 視頻線路的保護 視頻數據線具有高數據傳輸率，(其數據傳輸率高達480 Mbps，有的視頻數據傳輸率達到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，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計有D-SUB、DVI(28線)、SCART(19線)和D-TERMINAL(主要日系產品在用)。如圖4所示為D-SUB端口視頻線路的．ESD保護電路。 SIM卡數據線路保護 SIM卡數據線路保護一直是各個公司的產品設計重點。在針對不同的用途選擇器件時，要避免使器件工作在其設計參數的極限附近，還應根據被保護回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征來選用反應速度足夠快、敏感度足夠高的器件，這對于有效發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重點考慮。圖5所示為SIM卡數據線路保護電路。最近的許多新產品更能適應便攜設備高集成度、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)技術是連接PC到不同外部設備的新方法。可實現PC、服務器、筆記本和集線器等實現下游端口與外設端的上游端口的數據交換。現在的USB技術有兩種數據速率：低速(1．5Mb／s)和全速(12Mb／s)。12Mb／s的USB數據流比并行端口快10倍，比標準串口快100倍。頻率的增加必須相應地有適應ESD敏感度的器件，圖6所示是快速響應的TVS應用電路，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，揚聲器數據線路保護 在音頻數據線路保護方面，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／揚聲器數據線路的保護電路。 按鍵，開關保護 由于按鍵和開關回路的數據率很低，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設計與布局 PCB設計的注意事項 對于本設計，在PCB設計中，應注意以下幾點： (1)比較關鍵的信號線應盡量避開保護線路，并應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，應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約線路板上的空間，而且可減少由于回路復雜而可能誘發的寄生性線路自感影響； (6)在可能的地方都加入接地點，在電路系統設計中應遵循"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。 結束語 使用TVS對信息設備實施ESD保護是一種方便、有效且可靠的途徑，與其它元件相比，TVS有其獨特的優勢。但在具體應用時應當針對不同的保護對象來選用元件，并且要注意相應的參數以及各個生產廠商的不同設計，同時最佳化的PCB設計也是必不可少的。 |
