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TVS器件信息设备ESD防护中的应用
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随着电子信息技术的迅速发展，当前半导体器件日益趋向小型化、高密度和多功能化，特别是像时尚消费电子和便携式产品等对主板面积要求比较严格的应用，很容易受到静电放电(ESD)的影响。电路保护元件的选择根据所要保护的布线情况、可用的电路板空间以及被保护电路的电特性来决定。因为利用先进工艺技术制造的IC电路里氧化层比较薄，栅极氧化层更易受到损害。而且一些采用深亚微米工艺和甚精细线宽布线的复杂半导体功能电路，对电路瞬变过程的影响更加敏感，这将导致上述问题加重。因此要求保护器件必须具备低箝位电压以提供有效的ESD保护；而且响应时间快以满足高速数据线路的要求；封装集成度高以适用便携设备印制电路板面紧张的情况；同时还要保证多次ESD过程后不会劣化以保证高档设备应有的品质。TVS(Transient Voltage Suppresser瞬态电压抑制器)正是为解决这些问题而产生的，它已成为保护电子信息设备的关键性技术器件。
TVS的特性与工作原理
TVS是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。正因为如此，TVS可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压。图1所示为TVS的符号及伏安特性曲线。
TVS管和稳压管一样，也是反向应用的。其中VR称为最大转折电压，是反向击穿之前的临界电压。VB是击穿电压，其对应的反向电流IT一般取值为1 mA。VC是最大箝位电压，当TVS管中流过的峰值电流为IPP的大电流时，管子两端电压就不再上升了。因此TVS管能够始终把被保护的器件或设备的端口电压限制在VB～VC的有效区内。与稳压管不同的是，IPP的数值可达数百安培，而箝位响应时间仅为1×10-12s。TVS的最大允许脉冲功率为PM=VCIPP，且在给定最大钳位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大。
图2是在双踪示波器上观察到的TVS管在承受大电流冲击时的电流及电压波形。图中，曲线1是TVS管中的电流波形，可以看出：其流过TVS管的电流由1mA突然上升到峰值后，然后按指数规律下降。曲线2是TVS管两端的电压波形，它表示TVS中的电流突然上升时，TVS两端电压也随之上升。在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VRWM上升到击穿电压VB而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，该过程中，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。事实上，当TVS两极受到反向高能量冲击时，它能以10-12s级的速度，将其两极间的阻抗由高变低，以吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电位箝位于预定值，从而有效地保护电子设备中的元器件免受ESD的损害。
TVS的分类及选用方法
TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种；按用途可分为通用型和专用型；按封装和内部结构可分为轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可达400 W、500 W、600W、1500W和5 000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上，低功率产品主要用在高密度安装场合。对于高密度安装的场合，也可以选择双列直插和表面贴装等封装形式。
在选用TVS时，应考虑以下几个主要因素：
(1)若TVS有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时，应当选用双极性的，否则可选用单极性。
(2)所选用TVS的Vc值应低于被保护元件的最高电压。Vc是二极管在截止状态的电压，也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则器件面临被损坏的危险。
(3)TVS在正常工作状态下不要处于击穿状态，最好处于VR以下，应综合考虑VR和VC两方面的要求来选择适当的TVS。
(4)如果知道比较准确的浪涌电流IPP，则可利用VCIpp来确定功率；如果无法确定IPP的大致范围，则选用功率大些的TVS为好。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。
(5)TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0．01％。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，不然有可能损坏TVS。
(6)对于小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，一般不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。但这样可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
(7)电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，这是在特定的1 MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。对于数据／信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度也大，因此，需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS，电容不大于3 pF)，而对电容要求不高的回路，电容的容量选择可高于40 pF。
(8)为了满足IEC61000-4-2国际标准，TVS二极管必须达到可以处理最小8 kV(接触)和15 kV(空气)的ESD冲击，有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。而对于某些有特殊要求的便携设备应用，设计者可以按需要挑选器件。
基于TVS的ESD防护
处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。方法是TVS二极管在线路板上与被保护线路并联。这样当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便发生雪崩，以提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，从而避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动同复高阻状态，整个回路进入正常电压状态。
便携产品底部连接器的保护
底部连接器设计厂泛应用在移动消费类产品上，目前市场上的应用产品主要为移动电话、PDA、DSC(数码相机)以及MP3等便携产品。在这些产品中，当数据线接口与外部设备连接时，可能会受到高能量的冲击，故可采用如图3所示的TVS桥式保护电路。目前，集成有TVS和过流保护功能的常见器件有：NZQA系列、MSQA系列、NSQA系列和SMF系列，以上产品都带4个单相独立线路ESD保护，其中NZQA系列的封装形式是SOT-553，其它三个系列的封装形式是SC-88A。由于SOT5xx封装的TVS器件均针对260℃回焊温度处理工艺生产，符合100％无铅和静电放电保护要求，因而比传统的封装可减少电路板空间达36％，厚度降低40％，适合用于对电路板空间要求严格的便携设备，如手机、数码相机、MP3播放器等。
视频线路的保护
视频数据线具有高数据传输率，(其数据传输率高达480 Mbps，有的视频数据传输率达到1G以上)，因而要选择低电容LCTVS，通常是将一个低电容二极管与TVS二极管串联，以降低整个线路的电容(可低于3 pF)，从而达到高速率回路的要求。目前视频常见的输出端口设计有D-SUB、DVI(28线)、SCART(19线)和D-TERMINAL(主要日系产品在用)。如图4所示为D-SUB端口视频线路的．ESD保护电路。
SIM卡数据线路保护
SIM卡数据线路保护一直是各个公司的产品设计重点。在针对不同的用途选择器件时，要避免使器件工作在其设计参数的极限附近，还应根据被保护回路的特征及可能承受ESD冲击的特征来选用反应速度足够快、敏感度足够高的器件，这对于有效发挥保护器件的作用十分关键。另外，集成了其它功能的器件也应当重点考虑。图5所示为SIM卡数据线路保护电路。最近的许多新产品更能适应便携设备高集成度、小型化要求，将ESD(TVS)／EMI／RFI保护集成在一个芯片的器件中，不但可以有效缩小空间，还可大大减少器件采购成本和加工成本.
USB保护
通用串行总线(USB)技术是连接PC到不同外部设备的新方法。可实现PC、服务器、笔记本和集线器等实现下游端口与外设端的上游端口的数据交换。现在的USB技术有两种数据速率：低速(1．5Mb／s)和全速(12Mb／s)。12Mb／s的USB数据流比并行端口快10倍，比标准串口快100倍。频率的增加必须相应地有适应ESD敏感度的器件，图6所示是快速响应的TVS应用电路，能满足USB线路终端的ESD保护，同时具有良好的低通滤波功能。
音频，扬声器数据线路保护
在音频数据线路保护方面，由于音频同路的信号速率比较低，且对电容器件的要求不太高(100 pF左右都是可以接受的)。事实上，有的手机设计中将耳机和麦克风合在一起，有的则是分立线路。前一种情况可以选择单路TVS，而对于后一种情况，如果两个回路是邻近的，则可以选用多路TVS阵列，这样，只用一个器件就能完成两个回路的保护图7所示是一种音频／扬声器数据线路的保护电路。
按键，开关保护
由于按键和开关回路的数据率很低，对器件的电容没有特殊要求，因此，使用普通的TVS阵列都可以胜任。
PCB设计与布局
PCB设计的注意事项
对于本设计，在PCB设计中，应注意以下几点：
(1)比较关键的信号线应尽量避开保护线路，并应尽量将接口安排在同一个边上；
(2)避免被保护回路和未实施保护的回路并联，应将接口信号线路和接地线路直接接到保护器件上，然后再进入回路的其它部分；
(3)各类信号线及其馈线所形成的回路所环绕的面积要尽量小，以减少辐射噪声，必要时可考虑改变信号线或接地线的位置；
(4)将复位、中断、控制信号远离输入／输出口，并远离PCB的边缘；
(5)采用高集成器件或二极管阵列不但可以大大节约线路板上的空间，而且可减少由于回路复杂而可能诱发的寄生性线路自感影响；
(6)在可能的地方都加入接地点，在电路系统设计中应遵循"一点接地"原则。
PCB的布局
合理的PCB布局最重要的是要在使用TVS二极管保护的同时避免自感。ESD设计很可能会在回路中引起寄生自感，并对回路形成强大的电压冲击，从而使IC承受极限而造成损坏。负载产生的自感电压与电源变化强度成正比，而ESD冲击的瞬变特征极易诱发高强自感。减小寄生自感的基本原则是尽可能缩短分流回路，因此，必须考虑包括接地回路、TVS和被保护线路之间的回路，以及由接口到TVS的通路等所有因素。所以，只有将TVS器件与接口尽量接近，并与被保护线路尽量接近，才会减少自感耦合到其它邻近线路上的机会。
结束语
使用TVS对信息设备实施ESD保护是一种方便、有效且可靠的途径，与其它元件相比，TVS有其独特的优势。但在具体应用时应当针对不同的保护对象来选用元件，并且要注意相应的参数以及各个生产厂商的不同设计，同时最佳化的PCB设计也是必不可少的。
TVS的特性与工作原理
TVS是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。正因为如此，TVS可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压。图1所示为TVS的符号及伏安特性曲线。
TVS管和稳压管一样，也是反向应用的。其中VR称为最大转折电压，是反向击穿之前的临界电压。VB是击穿电压，其对应的反向电流IT一般取值为1 mA。VC是最大箝位电压，当TVS管中流过的峰值电流为IPP的大电流时，管子两端电压就不再上升了。因此TVS管能够始终把被保护的器件或设备的端口电压限制在VB～VC的有效区内。与稳压管不同的是，IPP的数值可达数百安培，而箝位响应时间仅为1×10-12s。TVS的最大允许脉冲功率为PM=VCIPP，且在给定最大钳位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大。
图2是在双踪示波器上观察到的TVS管在承受大电流冲击时的电流及电压波形。图中，曲线1是TVS管中的电流波形，可以看出：其流过TVS管的电流由1mA突然上升到峰值后，然后按指数规律下降。曲线2是TVS管两端的电压波形，它表示TVS中的电流突然上升时，TVS两端电压也随之上升。在浪涌电压的作用下，TVS两极间的电压由额定反向关断电压VRWM上升到击穿电压VB而被击穿。随着击穿电流的出现，流过TVS的电流将达到峰值脉冲电流IPP，同时其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压VC以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，该过程中，TVS两极间的电压也不断下降，最后恢复到初态，这就是TVS抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的过程。事实上，当TVS两极受到反向高能量冲击时，它能以10-12s级的速度，将其两极间的阻抗由高变低，以吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电位箝位于预定值，从而有效地保护电子设备中的元器件免受ESD的损害。
TVS的分类及选用方法
TVS器件按极性可分为单极性和双极性两种；按用途可分为通用型和专用型；按封装和内部结构可分为轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。轴向引线的产品峰值功率可达400 W、500 W、600W、1500W和5 000W。其中大功率的产品主要用在电源馈线上，低功率产品主要用在高密度安装场合。对于高密度安装的场合，也可以选择双列直插和表面贴装等封装形式。
在选用TVS时，应考虑以下几个主要因素：
(1)若TVS有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时，应当选用双极性的，否则可选用单极性。
(2)所选用TVS的Vc值应低于被保护元件的最高电压。Vc是二极管在截止状态的电压，也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则器件面临被损坏的危险。
(3)TVS在正常工作状态下不要处于击穿状态，最好处于VR以下，应综合考虑VR和VC两方面的要求来选择适当的TVS。
(4)如果知道比较准确的浪涌电流IPP，则可利用VCIpp来确定功率；如果无法确定IPP的大致范围，则选用功率大些的TVS为好。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。
(5)TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0．01％。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，不然有可能损坏TVS。
(6)对于小电流负载的保护，可有意识地在线路中增加限流电阻，只要限流电阻的阻值适当，一般不会影响线路的正常工作，但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。但这样可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
(7)电容量C是由TVS雪崩结截面决定的，这是在特定的1 MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。因此，C是数据接口电路选用TVS的重要参数。对于数据／信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度也大，因此，需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS，电容不大于3 pF)，而对电容要求不高的回路，电容的容量选择可高于40 pF。
(8)为了满足IEC61000-4-2国际标准，TVS二极管必须达到可以处理最小8 kV(接触)和15 kV(空气)的ESD冲击，有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。而对于某些有特殊要求的便携设备应用，设计者可以按需要挑选器件。
基于TVS的ESD防护
处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法，就是将瞬时电流从敏感器件引开。方法是TVS二极管在线路板上与被保护线路并联。这样当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便发生雪崩，以提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，从而避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动同复高阻状态，整个回路进入正常电压状态。
便携产品底部连接器的保护
底部连接器设计厂泛应用在移动消费类产品上，目前市场上的应用产品主要为移动电话、PDA、DSC(数码相机)以及MP3等便携产品。在这些产品中，当数据线接口与外部设备连接时，可能会受到高能量的冲击，故可采用如图3所示的TVS桥式保护电路。目前，集成有TVS和过流保护功能的常见器件有：NZQA系列、MSQA系列、NSQA系列和SMF系列，以上产品都带4个单相独立线路ESD保护，其中NZQA系列的封装形式是SOT-553，其它三个系列的封装形式是SC-88A。由于SOT5xx封装的TVS器件均针对260℃回焊温度处理工艺生产，符合100％无铅和静电放电保护要求，因而比传统的封装可减少电路板空间达36％，厚度降低40％，适合用于对电路板空间要求严格的便携设备，如手机、数码相机、MP3播放器等。
视频线路的保护
视频数据线具有高数据传输率，(其数据传输率高达480 Mbps，有的视频数据传输率达到1G以上)，因而要选择低电容LCTVS，通常是将一个低电容二极管与TVS二极管串联，以降低整个线路的电容(可低于3 pF)，从而达到高速率回路的要求。目前视频常见的输出端口设计有D-SUB、DVI(28线)、SCART(19线)和D-TERMINAL(主要日系产品在用)。如图4所示为D-SUB端口视频线路的．ESD保护电路。
SIM卡数据线路保护
SIM卡数据线路保护一直是各个公司的产品设计重点。在针对不同的用途选择器件时，要避免使器件工作在其设计参数的极限附近，还应根据被保护回路的特征及可能承受ESD冲击的特征来选用反应速度足够快、敏感度足够高的器件，这对于有效发挥保护器件的作用十分关键。另外，集成了其它功能的器件也应当重点考虑。图5所示为SIM卡数据线路保护电路。最近的许多新产品更能适应便携设备高集成度、小型化要求，将ESD(TVS)／EMI／RFI保护集成在一个芯片的器件中，不但可以有效缩小空间，还可大大减少器件采购成本和加工成本.
USB保护
通用串行总线(USB)技术是连接PC到不同外部设备的新方法。可实现PC、服务器、笔记本和集线器等实现下游端口与外设端的上游端口的数据交换。现在的USB技术有两种数据速率：低速(1．5Mb／s)和全速(12Mb／s)。12Mb／s的USB数据流比并行端口快10倍，比标准串口快100倍。频率的增加必须相应地有适应ESD敏感度的器件，图6所示是快速响应的TVS应用电路，能满足USB线路终端的ESD保护，同时具有良好的低通滤波功能。
音频，扬声器数据线路保护
在音频数据线路保护方面，由于音频同路的信号速率比较低，且对电容器件的要求不太高(100 pF左右都是可以接受的)。事实上，有的手机设计中将耳机和麦克风合在一起，有的则是分立线路。前一种情况可以选择单路TVS，而对于后一种情况，如果两个回路是邻近的，则可以选用多路TVS阵列，这样，只用一个器件就能完成两个回路的保护图7所示是一种音频／扬声器数据线路的保护电路。
按键，开关保护
由于按键和开关回路的数据率很低，对器件的电容没有特殊要求，因此，使用普通的TVS阵列都可以胜任。
PCB设计与布局
PCB设计的注意事项
对于本设计，在PCB设计中，应注意以下几点：
(1)比较关键的信号线应尽量避开保护线路，并应尽量将接口安排在同一个边上；
(2)避免被保护回路和未实施保护的回路并联，应将接口信号线路和接地线路直接接到保护器件上，然后再进入回路的其它部分；
(3)各类信号线及其馈线所形成的回路所环绕的面积要尽量小，以减少辐射噪声，必要时可考虑改变信号线或接地线的位置；
(4)将复位、中断、控制信号远离输入／输出口，并远离PCB的边缘；
(5)采用高集成器件或二极管阵列不但可以大大节约线路板上的空间，而且可减少由于回路复杂而可能诱发的寄生性线路自感影响；
(6)在可能的地方都加入接地点，在电路系统设计中应遵循"一点接地"原则。
PCB的布局
合理的PCB布局最重要的是要在使用TVS二极管保护的同时避免自感。ESD设计很可能会在回路中引起寄生自感，并对回路形成强大的电压冲击，从而使IC承受极限而造成损坏。负载产生的自感电压与电源变化强度成正比，而ESD冲击的瞬变特征极易诱发高强自感。减小寄生自感的基本原则是尽可能缩短分流回路，因此，必须考虑包括接地回路、TVS和被保护线路之间的回路，以及由接口到TVS的通路等所有因素。所以，只有将TVS器件与接口尽量接近，并与被保护线路尽量接近，才会减少自感耦合到其它邻近线路上的机会。
结束语
使用TVS对信息设备实施ESD保护是一种方便、有效且可靠的途径，与其它元件相比，TVS有其独特的优势。但在具体应用时应当针对不同的保护对象来选用元件，并且要注意相应的参数以及各个生产厂商的不同设计，同时最佳化的PCB设计也是必不可少的。
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