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隨著(zhù)電子信息技術(shù)的迅速發(fā)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(shí)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(xiàn)情況、可用的電路板空間以及被保護電路的電特性來(lái)決定。因為利用先進(jìn)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(xiàn)寬布線(xiàn)的復雜半導體功能電路，對電路瞬變過(guò)程的影響更加敏感，這將導致上述問(wèn)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(shí)間快以滿(mǎn)足高速數據線(xiàn)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(shí)還要保證多次ESD過(guò)程后不會(huì )劣化以保證高檔設備應有的品質(zhì)。TVS(Transient Voltage Suppresser瞬態(tài)電壓抑制器)正是為解決這些問(wèn)題而產(chǎn)生的，它已成為保護電子信息設備的關(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，它具有極快的響應時(shí)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(shí)，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(gè)瞬間大電流，從而把它的兩端電壓箝制在一個(gè)預定的數值上，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可用于保護設備或電路免受靜電、電感性負載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應雷所產(chǎn)生的過(guò)電壓。圖1所示為T(mén)VS的符號及伏安特性曲線(xiàn)。 TVS管和穩壓管一樣，也是反向應用的。其中VR稱(chēng)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(guò)的峰值電流為IPP的大電流時(shí)，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(shí)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(guān)察到的TVS管在承受大電流沖擊時(shí)的電流及電壓波形。圖中，曲線(xiàn)1是TVS管中的電流波形，可以看出：其流過(guò)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(xiàn)2是TVS管兩端的電壓波形，它表示TVS中的電流突然上升時(shí)，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(zhù)擊穿電流的出現，流過(guò)TVS的電流將達到峰值脈沖電流IPP，同時(shí)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(zhù)脈沖電流按指數衰減，該過(guò)程中，TVS兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復到初態(tài)，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(guò)程。事實(shí)上，當TVS兩極受到反向高能量沖擊時(shí)，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(lèi)及選用方法 TVS器件按極性可分為單極性和雙極性?xún)煞N；按用途可分為通用型和專(zhuān)用型；按封裝和內部結構可分為軸向引線(xiàn)二極管、雙列直插TVS陣列、貼片式和大功率模塊等。軸向引線(xiàn)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(xiàn)上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝場(chǎng)合。對于高密度安裝的場(chǎng)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(shí)，應考慮以下幾個(gè)主要因素： (1)若TVS有可能承受來(lái)自?xún)蓚�(gè)方向的尖峰脈沖電壓(浪涌電壓)沖擊時(shí)，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(tài)的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)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，應綜合考慮VR和VC兩方面的要求來(lái)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(lái)確定功率；如果無(wú)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(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。 (5)TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復的，器件規定的脈沖重復頻率(持續時(shí)間與間歇時(shí)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(xiàn)路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當，一般不會(huì )影響線(xiàn)路的正常工作，但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì )大大減小。但這樣可能選用峰值功率較小的TVS管來(lái)對小電流負載線(xiàn)路進(jìn)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(lái)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(mǎn)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(chǎn)廠(chǎng)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(shí)脈沖對器件損害的最好辦法，就是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。方法是TVS二極管在線(xiàn)路板上與被保護線(xiàn)路并聯(lián)。這樣當瞬時(shí)電壓超過(guò)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(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結果是瞬時(shí)電流通過(guò)二極管被引開(kāi)，從而避開(kāi)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(shí)脈沖結束以后，TVS二極管自動(dòng)同復高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓狀態(tài)。 便攜產(chǎn)品底部連接器的保護 底部連接器設計廠(chǎng)泛應用在移動(dòng)消費類(lèi)產(chǎn)品上，目前市場(chǎng)上的應用產(chǎn)品主要為移動(dòng)電話(huà)、PDA、DSC(數碼相機)以及MP3等便攜產(chǎn)品。在這些產(chǎn)品中，當數據線(xiàn)接口與外部設備連接時(shí)，可能會(huì )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(guò)流保護功能的常見(jiàn)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(gè)單相獨立線(xiàn)路ESD保護，其中NZQA系列的封裝形式是SOT-553，其它三個(gè)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(wú)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(xiàn)路的保護 視頻數據線(xiàn)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(gè)低電容二極管與TVS二極管串聯(lián)，以降低整個(gè)線(xiàn)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(jiàn)的輸出端口設計有D-SUB、DVI(28線(xiàn))、SCART(19線(xiàn))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(xiàn)路的．ESD保護電路。 SIM卡數據線(xiàn)路保護 SIM卡數據線(xiàn)路保護一直是各個(gè)公司的產(chǎn)品設計重點(diǎn)。在針對不同的用途選擇器件時(shí)，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(lái)選用反應速度足夠快、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當重點(diǎn)考慮。圖5所示為SIM卡數據線(xiàn)路保護電路。最近的許多新產(chǎn)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(gè)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(xiàn)(USB)技術(shù)是連接PC到不同外部設備的新方法�？蓪�(shí)現PC、服務(wù)器、筆記本和集線(xiàn)器等實(shí)現下游端口與外設端的上游端口的數據交換�，F在的USB技術(shù)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(mǎn)足USB線(xiàn)路終端的ESD保護，同時(shí)具有良好的低通濾波功能。 音頻，揚聲器數據線(xiàn)路保護 在音頻數據線(xiàn)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(shí)上，有的手機設計中將耳機和麥克風(fēng)合在一起，有的則是分立線(xiàn)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(gè)回路是鄰近的，則可以選用多路TVS陣列，這樣，只用一個(gè)器件就能完成兩個(gè)回路的保護圖7所示是一種音頻／揚聲器數據線(xiàn)路的保護電路。 按鍵，開(kāi)關(guān)保護 由于按鍵和開(kāi)關(guān)回路的數據率很低，對器件的電容沒(méi)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(diǎn)： (1)比較關(guān)鍵的信號線(xiàn)應盡量避開(kāi)保護線(xiàn)路，并應盡量將接口安排在同一個(gè)邊上； (2)避免被保護回路和未實(shí)施保護的回路并聯(lián)，應將接口信號線(xiàn)路和接地線(xiàn)路直接接到保護器件上，然后再進(jìn)入回路的其它部分； (3)各類(lèi)信號線(xiàn)及其饋線(xiàn)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(shí)可考慮改變信號線(xiàn)或接地線(xiàn)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(xiàn)路板上的空間，而且可減少由于回路復雜而可能誘發(fā)的寄生性線(xiàn)路自感影響； (6)在可能的地方都加入接地點(diǎn)，在電路系統設計中應遵循"一點(diǎn)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(shí)避免自感。ESD設計很可能會(huì )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(xiàn)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(xiàn)路盡量接近，才會(huì )減少自感耦合到其它鄰近線(xiàn)路上的機會(huì )。 結束語(yǔ) 使用TVS對信息設備實(shí)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。但在具體應用時(shí)應當針對不同的保護對象來(lái)選用元件，并且要注意相應的參數以及各個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)商的不同設計，同時(shí)最佳化的PCB設計也是必不可少的。 |
