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摘要：本文通過(guò)采用合適的過(guò)電流和過(guò)電壓保護元件，生產(chǎn)商可保證其產(chǎn)品成為用戶(hù)生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護元件也保證了各應用產(chǎn)品符合安全和功能因素相關(guān)的規章條例的要求。 許多用戶(hù)都沒(méi)有意識到他們自己每天在使用的電子設備存在著(zhù)最大的風(fēng)險。電路保護是所有電子設備必有的特性——不論是車(chē)載、家用或是工用電子設備——因為只要人體接觸含敏感電子半導體的器件，就會(huì )出現ESD(靜電放電)現象。 如果周?chē)目諝馓貏e干燥，比如天氣正好非常炎熱或非常寒冷，剛把手從汽車(chē)方向盤(pán)后移開(kāi)時(shí)，若觸碰到金屬車(chē)門(mén)，就會(huì )有電擊感。這種電擊感，對司機來(lái)說(shuō)不過(guò)是無(wú)傷大雅的不適感，但對敏感電子設備來(lái)說(shuō)，其影響要大得多。想象一下，當拿起手機或平板電腦，卻發(fā)現有些按鍵或數據端口失靈了�，F實(shí)生活中凡此種種令人頭痛的事情，可能就是由于電子器件而非車(chē)體金屬遭受類(lèi)似的電擊而導致的直接后果。 雖然靜電放電(ESD)不會(huì )導致手機“爆炸”之類(lèi)的災難性事故，但是沒(méi)有靜電放電(ESD)保護，手機很可能難以對鍵盤(pán)或按鈕輸入做出有效反應。同樣，靜電放電(ESD)損傷會(huì )導致USB或以太網(wǎng)之類(lèi)的接口端口在與其他設備連接時(shí)難以發(fā)揮正常的功效。 1 靜電放電(ESD)背后的物理學(xué) ESD(靜電放電)事件均可追溯為稱(chēng)作摩擦帶電的現象，兩種材料彼此接觸而后迅速分開(kāi)即可產(chǎn)生摩擦帶電現象。由于兩種材料的電子發(fā)生轉移，一個(gè)積聚正電荷，另一個(gè)積聚負電荷。電荷的產(chǎn)生了取決于數種因素，包括接觸面積、分離速度、相對溫度和材料化學(xué)性質(zhì)。盡管這種過(guò)程每天發(fā)生數千次，但卻無(wú)人注意，除非放電量足夠大，致使人體感到輕微短暫的不適，例如橫過(guò)地毯或抓握門(mén)把手。生成的電荷電壓從數百伏到數萬(wàn)伏不等。表1所示即為產(chǎn)生靜電荷電壓的實(shí)例。 鑒于半導體芯片的尺寸變得越來(lái)越微型化，靜電放電(ESD)影響已成為當今尖端但成本敏感的電子消費產(chǎn)品難以解決的問(wèn)題。如今，能夠提供ESD保護的構件太大，并且在成本上與構成集成電路組件的硅集成電路(IC)關(guān)系較大。其結果是，集成電路(IC)供應商移除或大大縮減內置ESD保護電路部分。問(wèn)題是，集成電路一旦組裝到電子消費產(chǎn)品中，離開(kāi)了生產(chǎn)時(shí)的受控環(huán)境，它們很可能會(huì )受到未受控制的ESD事件的影響。 此外，盡管集成電路(IC)生產(chǎn)商在歷史上曾使用特別是與生產(chǎn)環(huán)境有關(guān)的ESD測試模型(MIL-STD-883、方法3015：人體模型)，但設備生產(chǎn)商——對業(yè)內ESD事件有所考慮——卻使用IEC(國際電工委員會(huì ))規定的更為嚴苛的模型，即IEC 61000-4-2標準。本文中，多數集成電路(IC)供應商在500V下利用人體模型(HBM)對其產(chǎn)品進(jìn)行測試，而終端用戶(hù)設備生產(chǎn)商根據IEC 61000-4-2標準在8000V(或以上)下進(jìn)行測試。 表1比較了多數芯片組供應商使用的HBM(人體模型)ESD電流，他們以此預防IEC 61000-4-2列舉的環(huán)境ESD事件，這些事件多數用戶(hù)會(huì )在不覺(jué)間引入電子消費器件。 很明顯，最壞情況下的HBM ESD峰值電流遠遠低于IEC 61000-4-2規定的最壞情況下ESD峰值電流(見(jiàn)表2加粗的數字)。 與HBM所述的8kV事件相比，IEC 61000-4-2規定的8kV事件暗指電流為其5.6倍。芯片組能夠通過(guò)HBM測試的——用于生產(chǎn)環(huán)境——不能保證適應實(shí)際應用，因為ESD的影響更加嚴重。最后，如前文所述，大多數集成電路(IC)供應商利用人體模型僅測試到500V。如果在實(shí)際應用中暴露在8kV ESD瞬變電壓中，芯片組面臨的電流會(huì )增加近100倍，除非集成電路(IC)設計包含ESD保護，否則這種程度的電流足以決定芯片組的命運。 近年來(lái)，應用測試要求越來(lái)越嚴苛，以致于8kV ESD事件如今已成為最低水平。測試等級正在向20kV、甚至30kV發(fā)展，但同時(shí)，集成電路(IC)供應商卻在芯片組設計中取消了電路保護，從而釋放硅元面積，以提供更多功能。以下數字表明了芯片組內置ESD水平和在實(shí)際應用中可能遭受的ESD影響水平之間的差距，強烈反映出不斷增長(cháng)的需求對于追加ESD保護的需要。 2 保護很重要 如果想要電子消費產(chǎn)品抵抗住ESD事件，繼續按原設計發(fā)揮功效，至關(guān)重要的是選擇正確的ESD保護器件——通稱(chēng)稱(chēng)作瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)陣列。動(dòng)態(tài)電阻是需要考慮的關(guān)鍵性ESD保護參數之一，甚至可能是選擇保護元件的最重要的參數。任意一種保護解決方案都具有與其箝制電壓特性相關(guān)的固有電阻值。理想情況下，固有電阻應最低，以保證保護解決方案在發(fā)生浪涌時(shí)具備最低阻抗接地回路。 圖2原理圖描述了這個(gè)問(wèn)題。在ESD事件中，箝制器件打開(kāi)，從高阻抗標稱(chēng)狀態(tài)變?yōu)榈妥杩�。如果串�?lián)電阻較高，保護元件生成高電壓(V=IR)，即集成電路(IC)受到的有效保護降低。如果串聯(lián)電阻較低，保護元件生成的電壓也會(huì )降低，反過(guò)來(lái)降低集成電路(IC)受ESD影響的程度。這種較低的動(dòng)態(tài)電阻(箝制模式下保護元件的電阻值)使得大部分浪涌電流繞開(kāi)集成電路(IC)而接地，如圖2所示。力特TVS二極管陣列專(zhuān)為獲得最低動(dòng)態(tài)電阻值而設計，因而能夠將保護元件的總體壓降減至最低，把流經(jīng)保護元件而非保護性集成電路的電流增至最大。 一般來(lái)說(shuō)，較之于諸如聚合體或陶瓷之類(lèi)的技術(shù)，由于本身具有較低的動(dòng)態(tài)電阻，半導體保護器件能夠提供最好的ESD保護。通常，半導體類(lèi)元件的動(dòng)態(tài)電阻范圍為0.2?~3.0?，具體取決于供應商的產(chǎn)品設計，而陶瓷解決方案(電容相同)所提供的動(dòng)態(tài)電阻的范圍平均為2?~5?。 圖3的曲線(xiàn)顯示了各元件通入8kV ESD瞬變時(shí)，硅元件及其相應的壓敏電阻之間允通能量的差異，著(zhù)重強調了前緣開(kāi)啟電壓和最終箝制電壓之間的差異。曲線(xiàn)(箭頭)之間的面積從集成電路(IC)和芯片組必須要抵抗多少能量才能防止潛在損傷或過(guò)早失效方面表現了兩種元件之間的差異。 3 根據標準提供保護 電子消費產(chǎn)品的種類(lèi)和持續發(fā)展似乎沒(méi)有盡頭：LCD電視、智能手機、平板電腦、電子書(shū)閱讀器、機頂盒、游戲機、數碼相機、音頻播放器及凡此種種。盡管品類(lèi)繁多，此類(lèi)設備通常配置相同的端口或連接。作為此類(lèi)設備與外部世界的接口，此類(lèi)連接需要ESD保護。幾乎所有的電子消費產(chǎn)品都具有以下功能接口： ● AC輸入/輸出 ● DC輸入/輸出 ● 電池組 ● 鍵盤(pán)/按鈕 ● 視頻信號(HDMI、S-Video、復合視頻、LCD模件) ● 音頻輸出 ● 低速數據接口(USB1.1、IEEE 1394、RS 232C、RS 485) ● 高速數據接口(USB2.1、USB3.0、10BaseT、100BaseT、1000BaseT) ● CATV/RF輸入/輸出 以上某此功能必須符合國家安全標準的規定，也就是說(shuō)，需要過(guò)電流和過(guò)電壓保護。其他功能也需要免受諸如ESD之類(lèi)的環(huán)境因素的影響，但也需要防止附近高電感性負載設備循環(huán)打開(kāi)和關(guān)閉(如真空吸塵器)所導致的的雷擊電涌或EFT(脈沖群)。 產(chǎn)品直接與交流主電源(120V~250V交流電)連接，可能會(huì )受到嚴重的浪涌瞬變(雷擊、負載合閘等)和短路/過(guò)載情況的影響，因此有必要安裝系列元件以提供過(guò)電流(保險絲或PTC)和過(guò)電壓(MOV、TVS或TVS二極管陣列)保護。特別要求提供此類(lèi)保護的標準有： ● IE 61000-4-4(EFT用戶(hù)級環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) ● IEC/EN 60950-1(安全標準) 便攜式電子消費產(chǎn)品含有AC或DC適配器的，可能會(huì )遭遇特定的ESD和低極雷電威脅，對于這些威脅，必須要有所考慮。有些標準可能對此類(lèi)保護具有特別的要求，這些標準有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶(hù)級環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) 鍵盤(pán)或其他手動(dòng)接口按鈕可能會(huì )成為ESD之類(lèi)的破壞能源的侵入點(diǎn)。音頻線(xiàn)路由于揚聲器接線(xiàn)和手動(dòng)操作也會(huì )受到類(lèi)似的ESD的影響。S-Video、復合視頻和HDMI的接頭也極易受到ESD的影響，因為它們經(jīng)常接受手動(dòng)操作。電池組應用應耐受必須加以預防的類(lèi)似的ESD影響以及潛在的過(guò)電流失控情況(IEC 61960和IEC 62133特別適用)。同樣，低速和高速數據線(xiàn)也會(huì )遭受ESD影響;根據實(shí)際布置，它們也可能會(huì )遭受雷電感應浪涌的影響。非常適用此類(lèi)應用的國際標準有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶(hù)級環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) 消費產(chǎn)品面臨著(zhù)日益遞增的遭受類(lèi)似ESD過(guò)電壓瞬變破壞的風(fēng)險。隨著(zhù)集成電路(IC)設計師在芯片組中集成更多的功能，內置ESD耐受性卻在大幅度下滑——致使采用外部保護元件成為必要。設備生產(chǎn)商根據國際IEC 61000-4-2標準進(jìn)行測試;為保護產(chǎn)品的預期使用壽命，推薦使用TVS二極管陣列來(lái)提供保護。相比于競爭性技術(shù)，TVS二極管陣列不僅能滿(mǎn)足集成電路(IC)對于小內存的要求，也能提供較低的箝制電壓，即TVS二極管陣列能夠保護先進(jìn)的集成電路(IC)。EFT影響、臨近雷擊或潛在停電事故使提供合適的過(guò)電流和過(guò)電壓保護解決方案成為必要。 通過(guò)采用合適的過(guò)電流和過(guò)電壓保護元件，生產(chǎn)商可保證其產(chǎn)品成為用戶(hù)生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護元件也保證了各應用產(chǎn)品符合安全和功能因素相關(guān)的規章條例的要求。 3 根據標準提供保護 電子消費產(chǎn)品的種類(lèi)和持續發(fā)展似乎沒(méi)有盡頭：LCD電視、智能手機、平板電腦、電子書(shū)閱讀器、機頂盒、游戲機、數碼相機、音頻播放器及凡此種種。盡管品類(lèi)繁多，此類(lèi)設備通常配置相同的端口或連接。作為此類(lèi)設備與外部世界的接口，此類(lèi)連接需要ESD保護。幾乎所有的電子消費產(chǎn)品都具有以下功能接口： ● AC輸入/輸出 ● DC輸入/輸出 ● 電池組 ● 鍵盤(pán)/按鈕 ● 視頻信號(HDMI、S-Video、復合視頻、LCD模件) ● 音頻輸出 ● 低速數據接口(USB1.1、IEEE 1394、RS 232C、RS 485) ● 高速數據接口(USB2.1、USB3.0、10BaseT、100BaseT、1000BaseT) ● CATV/RF輸入/輸出 以上某此功能必須符合國家安全標準的規定，也就是說(shuō)，需要過(guò)電流和過(guò)電壓保護。其他功能也需要免受諸如ESD之類(lèi)的環(huán)境因素的影響，但也需要防止附近高電感性負載設備循環(huán)打開(kāi)和關(guān)閉(如真空吸塵器)所導致的的雷擊電涌或EFT(脈沖群)。 產(chǎn)品直接與交流主電源(120V~250V交流電)連接，可能會(huì )受到嚴重的浪涌瞬變(雷擊、負載合閘等)和短路/過(guò)載情況的影響，因此有必要安裝系列元件以提供過(guò)電流(保險絲或PTC)和過(guò)電壓(MOV、TVS或TVS二極管陣列)保護。特別要求提供此類(lèi)保護的標準有： ● IE 61000-4-4(EFT用戶(hù)級環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) ● IEC/EN 60950-1(安全標準) 便攜式電子消費產(chǎn)品含有AC或DC適配器的，可能會(huì )遭遇特定的ESD和低極雷電威脅，對于這些威脅，必須要有所考慮。有些標準可能對此類(lèi)保護具有特別的要求，這些標準有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶(hù)級環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) 鍵盤(pán)或其他手動(dòng)接口按鈕可能會(huì )成為ESD之類(lèi)的破壞能源的侵入點(diǎn)。音頻線(xiàn)路由于揚聲器接線(xiàn)和手動(dòng)操作也會(huì )受到類(lèi)似的ESD的影響。S-Video、復合視頻和HDMI的接頭也極易受到ESD的影響，因為它們經(jīng)常接受手動(dòng)操作。電池組應用應耐受必須加以預防的類(lèi)似的ESD影響以及潛在的過(guò)電流失控情況(IEC 61960和IEC 62133特別適用)。同樣，低速和高速數據線(xiàn)也會(huì )遭受ESD影響;根據實(shí)際布置，它們也可能會(huì )遭受雷電感應浪涌的影響。非常適用此類(lèi)應用的國際標準有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶(hù)級環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) 消費產(chǎn)品面臨著(zhù)日益遞增的遭受類(lèi)似ESD過(guò)電壓瞬變破壞的風(fēng)險。隨著(zhù)集成電路(IC)設計師在芯片組中集成更多的功能，內置ESD耐受性卻在大幅度下滑——致使采用外部保護元件成為必要。設備生產(chǎn)商根據國際IEC 61000-4-2標準進(jìn)行測試;為保護產(chǎn)品的預期使用壽命，推薦使用TVS二極管陣列來(lái)提供保護。相比于競爭性技術(shù)，TVS二極管陣列不僅能滿(mǎn)足集成電路(IC)對于小內存的要求，也能提供較低的箝制電壓，即TVS二極管陣列能夠保護先進(jìn)的集成電路(IC)。EFT影響、臨近雷擊或潛在停電事故使提供合適的過(guò)電流和過(guò)電壓保護解決方案成為必要。 通過(guò)采用合適的過(guò)電流和過(guò)電壓保護元件，生產(chǎn)商可保證其產(chǎn)品成為用戶(hù)生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護元件也保證了各應用產(chǎn)品符合安全和功能因素相關(guān)的規章條例的要求。 |
