TVS在数字移动电话电路中的设计与应用

摘要：针对静电放电和电快速瞬变脉冲群(ESD／EFT)等危险浪涌电压会给数字移动电话带来死机、损坏等致命危害的问题，便于电路设计人员加深对TVS器件的认识，设计出高可靠性的保护电路，文章通过分析TVS器件的特性和主要参数及其工作原理，得出了TVS是一种十分有效地保护器件，但在应用时应当针对不同的保护对象及电路的相关参数来选用元件，同时给出了TVS器件在数字移动电话电路设计中的应用保护电路，并对加强电路本身的抗干扰设计提出了建议。
关键词：TVS；数字移动电话；保护电路设计；抗干扰设计

随着半导体技术的高速发展和集成电路的广泛应用，现代数字移动电话(手机)不断朝着尺寸小型化、功能多样化和高度集成化方向发展，其智能化、集成度越来越高，容易受到ESD／EFT(静电放电／电快速瞬变脉冲群)和共模／差模浪涌冲击等浪涌电压的干扰，可能会造成手机工作异常、死机，甚至损坏并引发其他的安全问题。所以在手机上市之前，我国都强制要求进行入网测试，而入网测试中明确要求进行ESD和其他浪涌冲击的测试，其中接触放电需要做到±8 kV静电正常，空气放电需要做到±15 kV静电正常，这就对其浪涌防护电路提出了更严格苛刻的要求。TVS半导体浪涌抑制器件具有功率大、响应时间短、残压低等优点，与压敏电阻元件相比，具有优越的保护性能。将其应用于数字移动电话电路的精细保护，设计安全可靠、技术先进的浪涌保护方案，至关重要。

1 TVS的主要参数
TVS瞬态电压抑制器有单极性与双极性之分，如图1所示，它是在稳压二极管的基础上发展起来的，单极性只对一个方向的浪涌电压冲击起保护作用，相当于一个稳压二极管的作用，双极性瞬态二极管对相反的极性浪涌电压冲击都起保护作用，相当于两只稳压管反向串联，它与稳压二极管不同之处是结电容小，响应时间短。TVS管也可以与二极管串联，利用二极管寄生电容较小的特点来降低总寄生电容，可以实现对高速信号端口的保护，如图1(c)，(d)中所示。瞬态电压抑制器可承受的冲击电流由下式可得：
I冲击=W冲击／V冲击
式中：I冲击为冲击电流峰值，单位：A；W冲击为峰值功率瓦数，单位：W；V冲击为击穿电压，单位：V。

TVS瞬态电压抑制器按峰值功率可分为500 W，1 000 W，1 500 W，5000 W等多种型号，TVS的规格及主要参数见表1所示。用于手机电路的浪涌防护的TVS，一般情况要求峰值功率Pppm500W，反向变位电压VWM为5～8 V，击穿电压VBR为6～8．5 V，反向电流ID为5～50 μA可根据电路的实际参数及保护要求来选择，TVS的极间电容范围根据龟路的特性来确定。

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2 TVS的伏安特性
TVS能够保护晶体管电路，是靠它的伏安特性起箝位作用，如图2所示。当TVS管电压为反偏，且位于0～VBR之间的时候，TVS管呈高电阻状态；当反偏电压超过VBR时候，流经TVS管的电流迅速增加，进入低电阻导通状态，从高电阻状态到低电阻状态的延时只有ps数量级。之后，TVS管两端电压被箝制在Vc以下，经过电压脉冲过后，TVS管又恢复高阻状态。

3 TVS的选用
TVS器件在选用时应注意：根据电路预期浪涌电流及可能出现的峰值脉冲功率来确定峰值脉冲电流Ipp、额定脉冲功率Pppm。对于手机电路而言，500 W的功率足以满足要求；TVS的电压保护水平VC应小于被保护电路耐压UW；额定反向关断电压VWM的选择。VWM值的选择要适中，VWM值既要≥US(最大持续工作电压)，又要与US值相接近，选择太大或太小都不能安全可靠保护电路；极间电容C的选择。电容大会使信号损失，对信号起调制作用，引起干扰。因此，要根据电路持性选择合适的电容范围；单向TVS多用于直流和已知方向的信号电路，双极性TVS多用于交流和变化的信号电路，TVS阵列多用于多线保护；TVS可以串／并接入电路，串行连接可以分电压，并行连接可以分电流，但在应用中应控制串／并数量；TVS在应用过程中必须考虑环境温度及温度变化情况对TVS特性的影响，因为温度上升会使TVS反向漏电流增加，功耗下降。

4 TVS在数字移动电话电路中的应用
数字移动电话的电路基本由射频、数字信号处理、终端接口、电源管理等部分组成，手机电路中需要进行浪涌防护的部位有：SIM卡的CPU读卡器，数字接口(USB)，键盘电路，彩屏LCD驱动接口，耳机／麦克风电路，电源接口，数据接口，LCD背光电路(制造时已采取了TVS保护措施)等。
4．1 SIM卡的CPU读卡器的浪涌防护
图3是利用TVS对SIM卡的CPU读卡器的浪涌防护示意图。Vcc直接通过TVS进行浪涌防护，当Vcc有浪涌骚扰时TVS会将其嵌位；时钟信号／数据信号分别接到由“高速控制二极管”组成的“桥式”检波电路的输入端，浪涌电压经检波后由TVS嵌位，从而保护了时钟／数据的正常
工作；复位／编程的ESD保护也是同样的原理。

4．2 数字接口(USB)的浪涌防护
手机的USB(通用串行总线)接口有两条数据线，由于数据传输速率很高，可以连接到任何一台具备USB接口的PC机上传送数据，为肪止ESD／EFT的骚扰和噪声干扰，需要用TVS进行防护。如图4所示。

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4．3 键盘电路的浪涌防护
为保障键盘驱动电路免受ESD／EFT的侵害，键盘控制电路的每一行、每一列都需要接一个TVS做保护，由于频率不高，所以对TVS的极间电容要求不严，可以选用标准电容的“双向”TVS做全方位的保护，如图5所示。
4．4 彩屏LCD驱动接口的噪声干扰／ESD防护
彩屏LCD驱动的数据线其数据传输速率很高，容易被各种噪声所干扰，造成图像质量下降，为此需要在数据线上采用有EMI(电磁干扰)抑制能力的TVS进行滤波和ESD防护，以保障彩色图像的高质量。如图6所示。

4．5 耳机／麦克风电路的浪涌防护
为保障多模转换器免受ESD／EFT的侵害，防止耳机和麦克风导线引入高频干扰，实现高质量的语音通信，在耳机／麦克风电路采用有EMI抑制功能的TVS，它既能泄放耳机以及手持听筒上的静电，又有一个(RC)π型低通滤波器，很高的通频带可抑制各种干扰，从而保证语音的高质量。如图7所示。
4．6 电源接口的浪涌防护
为防止ESD／EFT对电源接口的骚扰和电源导线引入的杂散高频干扰，在电源接口或外部连接器的电源输入端施加TVS进行保护。图8是共模／差模都有保护能力的ESD防护电路。
4．7 数据接口的浪涌防护
用于存放手机的机身号码、锁急码、电话号码薄及其他设置的数据接口与微处理器和存储器连接，为保障微处理器／存储器免受ESD／ EFT的侵害，需在数据接口使用TVS泄放静电，使微处理器／存储器可靠工作。如图9所示。

5 电路的抗干扰设计
除了采取安装TVS器件来抑制过电压浪涌，同时，在电路设计过程中应充分考虑并满足抗干扰性的要求，避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施，要使电子电路获得最佳性能，应注意：元器件的布局应整齐、有序、均匀、紧凑，尽可能缩短各元器件之间的引线和连接线的长度，避免各元器件间的相互干扰；保护器件的接地线及连接线应遵循“短、直”原则；_未进行保护的回路不得并联接于已实施保护措施的回路，避免危险电涌从未保护回路引入；将TVS器件直接接入电路入口端，并尽量靠近被保护接口和线路，避免自感耦合引起的干扰；重要的信号线路应避开保护地线，并与其有一定安全距离；要尽可能减小信号回路环绕的面积，减少辐射噪声干扰；易受干扰的元器件不能相互挨得太近，将敏感、关键信号远离输入／输出口，并远离电路板边缘地带。使用TVS阵列保护电路可以节约电路板的空间，减少多条回路引发的寄生自感。

6 结语
(1)使用TVS对数字移动电话电路进行保护是一种方便、经济、有效且可靠的方案，TVS便于小PCB板的有效接地，利于电路板集成设计，是理想的手机电路过电压防护器件。
(2)应根据被保护电路的特性及TVS的相关参数选择适配的保护器件。TVS的加入不应对电路系统正常运行产生影响，必须能承受预期通过它们的浪涌电流，并具有通过电涌时的电压保护水平和箝压能力。
(3)除了采用TVS进行预防保护措施外，设计者应考虑电磁兼容(EMC)电磁干扰、串扰、信号延迟和差分对布线等设计因素，应合理布局与布线，加强电路本身的抗干扰设计，提高电路运行的安全系数。