中心議題：

• TVS的ESD保護原理及應用要求
• TVS器件的分類
• 三種ESD TVS器件技術的特性比較

本文將分析係統設計師可以采用的一些保護產品類型，並比較它們的特性。為了確保係統在遭受ESD事件時的魯棒性，必須按照IEC 61000-4-2等標準來測試這些產品。係統設計師采用多種方法來確保產品符合主流的ESD標準，包括解決外殼設計、電路板設計、元件選擇，甚至是軟件修複。其中一個重要的方法是在輸入和輸出(I/O)連接器等關鍵電路節點處使用保護元件。ESD保護元件通常稱作瞬態電壓抑製器(TVS)。 　　

TVS的ESD保護原理及應用要求 　　

許多集成電路(IC)都有一些可能比較敏感的輸入，這使得它們在輸入電壓遠高於正常值的的情況下(例如在ESD應力作用下)易(yi)於(yu)受(shou)損(sun)。正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya)與(yu)使(shi)器(qi)件(jian)開(kai)始(shi)受(shou)損(sun)的(de)電(dian)壓(ya)之(zhi)間(jian)的(de)區(qu)域(yu)是(shi)安(an)全(quan)過(guo)壓(ya)區(qu)。安(an)全(quan)過(guo)壓(ya)區(qu)與(yu)器(qi)件(jian)受(shou)損(sun)區(qu)之(zhi)間(jian)有(you)少(shao)許(xu)交(jiao)疊(die)，因(yin)為(wei)如(ru)果(guo)較(jiao)大(da)的(de)過(guo)壓(ya)僅(jin)持(chi)續(xu)極(ji)短(duan)時(shi)間(jian)，那(na)麼(me)即(ji)使(shi)不(bu)是(shi)在(zai)安(an)全(quan)過(guo)壓(ya)區(qu)，器(qi)件(jian)可(ke)能(neng)也(ye)可(ke)以(yi)承(cheng)受(shou)。TVS的任務就是發生ESD事件時，將輸入電壓維持在安全過壓範圍之內，而在正常工作時不影響係統性能。TVS器件被放置於鄰近ESD事件可能進入係統的位置，旨在限製敏感節點處的電壓
，並將電流引至不太敏感的節點，如地電平。為實現這個功能，TVS必須在正常工作電壓範圍內擁有高阻抗,在正常工作電壓範圍之外擁有低阻抗
，這樣才能將電流直接從敏感節點引開
，並限製瞬態電壓。

對TVS的基本要求與具體應用有關，但一般情況下有如下要求：
(1)能夠在期望的ESD應力下正常工作；
(2)在正常電壓範圍內具有高阻抗(低泄漏)；
(3)在正常電壓範圍之外呈低阻抗；
(4)導通電壓適合應用；
(5)在遭受應力期間可快速地從高阻抗轉換至低阻抗
(6)電容對目標應用而言不太高。

TVS器件的分類

在比較具體的TVS器件類型之前，需要理解兩種分類。

單向與雙向保護：單向和雙向TVS器件都能抑製正向和負向應力。依據TVS維持高阻抗、低泄漏狀態的電壓範圍

，可以最好地理解這兩個術語的不同。這種電壓範圍決定了TVS器件能保護的電路節點類型。雙向TVS具有相對於零伏電壓的對稱特性(圖1)。雙向器件最適合保護電壓基於零伏對稱或雙向的電路節點。單向TVS產品具有相對零伏電壓不對稱的特性。單向TVS器件極適合保護電壓極性始終相同的電路節點，如0到5伏這樣的單極性電壓。

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電壓箝位與消弧：電壓箝位器件的工作原理是從低電壓時的高阻抗轉換至高於導通電壓時的低阻抗

，且沒有負阻抗區域(圖2)。這器件通過提供接地的低阻抗通道，對高於導通電壓的電壓進行箝位。消弧(crowbar)器(qi)件(jian)在(zai)低(di)電(dian)壓(ya)時(shi)也(ye)呈(cheng)高(gao)阻(zu)抗(kang)，但(dan)當(dang)電(dian)壓(ya)較(jiao)高(gao)時(shi)觸(chu)發(fa)新(xin)的(de)導(dao)通(tong)機(ji)製(zhi)，使(shi)電(dian)流(liu)增(zeng)大(da)，並(bing)伴(ban)隨(sui)著(zhe)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)。因(yin)此(ci)
，消(xiao)弧(hu)器(qi)件(jian)擁(yong)有(you)負(fu)阻(zu)抗(kang)區(qu)域(yu)。某(mou)些(xie)消(xiao)弧(hu)器(qi)件(jian)的(de)觸(chu)發(fa)電(dian)壓(ya)可(ke)能(neng)非(fei)常(chang)高(gao)。如(ru)果(guo)消(xiao)弧(hu)TVS觸發器的速度足夠快，就可以經常提供保護

，即便電壓已經達到可能導致器件損壞的電平。消弧器件有時也稱作“驟回”器件
，因為電壓驟然下降。

三種ESD TVS器件技術的特性比較

ESD TVS器件采用的技術主要有三種：壓敏電阻、聚合物和矽二極管，每種技術各有其獨特特性。 　　

1．金屬氧化物壓敏電阻(MOV) 　　
壓敏電阻在小電流和低電壓下具有高阻抗，但在高電壓和大電流下
，它們的阻抗大幅下降

，因此它們屬於電壓箝位器件。

壓敏電阻是雙向保護器件
，具有很寬範圍的電流和電壓保護能力，適用從高壓輸電線路和雷電保護
，到到小型ESD表(biao)麵(mian)貼(tie)裝(zhuang)器(qi)件(jian)等(deng)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)，。然(ran)而(er)，相(xiang)對(dui)於(yu)它(ta)們(men)的(de)導(dao)電(dian)率(lv)來(lai)說(shuo)，它(ta)們(men)電(dian)容(rong)較(jiao)大(da)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)它(ta)們(men)在(zai)高(gao)速(su)信(xin)號(hao)線(xian)路(lu)保(bao)護(hu)方(fang)麵(mian)的(de)應(ying)用(yong)受(shou)到(dao)限(xian)製(zhi)。壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)在(zai)遭(zao)受(shou)多(duo)次(ci)應(ying)力(li)後(hou)，性(xing)能(neng)也(ye)會(hui)下(xia)降(jiang)，即(ji)使(shi)遠(yuan)低(di)於(yu)單(dan)次(ci)應(ying)力(li)導(dao)致(zhi)的(de)損(sun)壞(huai)等(deng)級(ji)。 　　

2．聚合物浪湧抑製器 　　
聚合物浪湧抑製器件為消弧器件，且總是雙向保護器件。它們的電容很低
，對高速應用具有吸引力。但是它們的短處是導通電壓高、導通阻抗性能相對較差
，遭受多次應力時易於性能下降。 　　

3．TVS二極管 　　
如(ru)今(jin)大(da)多(duo)數(shu)的(de)二(er)極(ji)管(guan)都(dou)是(shi)采(cai)用(yong)矽(gui)製(zhi)造(zao)的(de)固(gu)態(tai)器(qi)件(jian)。它(ta)們(men)為(wei)雙(shuang)端(duan)器(qi)件(jian)，很(hen)容(rong)易(yi)讓(rang)一(yi)個(ge)方(fang)向(xiang)上(shang)的(de)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)，但(dan)在(zai)相(xiang)反(fan)方(fang)向(xiang)上(shang)，它(ta)們(men)呈(cheng)現(xian)高(gao)阻(zu)抗(kang)，直(zhi)到(dao)兩(liang)端(duan)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)擊(ji)穿(chuan)電(dian)壓(ya)。二(er)極(ji)管(guan)本(ben)質(zhi)上(shang)為(wei)單(dan)向(xiang)器(qi)件(jian)，保(bao)護(hu)方(fang)式(shi)為(wei)電(dian)壓(ya)箝(qian)位(wei)。

二極管的特性取決於N區與Pqudechanzachengdu
，zhelianggequlijiediandejuliyuanjinbutong。tiaojiechanzachengdunenggoujianfanxiangpianzhijichuandianyazaijibaifudaojinjifuzhijiandeerjiguan。shejiyoumingquedingyidefanxiangpianzhijichuandianyadeerjiguan，tongchangchengzuoqinaerjiguan。

基於二極管的TVS產品擁有其它ESD保護產品所不具備的多用性——可ke選xuan擇ze單dan向xiang和he雙shuang向xiang保bao護hu。基ji本ben二er極ji管guan是shi單dan向xiang產chan品pin
，且qie是shi僅jin有you的de單dan向xiang保bao護hu元yuan件jian。串chuan聯lian結jie合he兩liang個ge二er極ji管guan就jiu能neng輕qing易yi地di構gou成cheng雙shuang向xiang保bao護hu。雙shuang向xiang保bao護hu可ke通tong過guo共gong陰yin極ji或huo共gong陽yang極ji配pei置zhi來lai實shi現xian。使shi用yong一yi對dui單dan向xiangTVS器件便能實現雙向保護性能。市麵上有多種基於雙向二極管的TVS器件，這些器件中的兩個二極管均位於同一個封裝，甚至經常集成在單個矽襯底上。

過去
，矽TVS器件由於電容高，在保護低壓高速信號線路方麵存在劣勢。然而，近年來的技術進步消除了這種不利因素。安森美半導體的新產品ESD9L5.0將矽器件保護的優勢與高速應用要求的低電容結合在一起。這個產品的特性就像一個簡單的齊納二極管。事實上
，ESD9L5.0包含一個擊穿電壓低的齊納二極管和一對擊穿電壓高(因而電容小)的標準二極管。　　

表1總結了前麵談及的三類TVS器件的基本特性。選擇恰當的保護器件應考慮多種因素，其中關鍵的決定因素就是被保護電路的特性。

對應力有不對稱敏感度的電路節點，可能需要隻有TVS二(er)極(ji)管(guan)產(chan)品(pin)才(cai)能(neng)提(ti)供(gong)的(de)單(dan)向(xiang)保(bao)護(hu)。高(gao)速(su)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)非(fei)常(chang)低(di)的(de)電(dian)容(rong)
，這(zhe)使(shi)得(de)使(shi)聚(ju)合(he)物(wu)器(qi)件(jian)具(ju)有(you)吸(xi)引(yin)力(li)。聚(ju)合(he)物(wu)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)對(dui)低(di)電(dian)容(rong)和(he)保(bao)護(hu)能(neng)力(li)的(de)要(yao)求(qiu)。為(wei)了(le)讓(rang)聚(ju)合(he)物(wu)TVS產品可以用在高速應用中，，高速節點需要在瞬態高壓下工作以導通聚合物TVS，並在導通模式下提供中等阻抗。

由於成本低、不(bu)要(yao)求(qiu)高(gao)壓(ya)導(dao)通(tong)，壓(ya)敏(min)電(dian)阻(zu)常(chang)常(chang)具(ju)有(you)吸(xi)引(yin)力(li)。如(ru)果(guo)它(ta)們(men)被(bei)製(zhi)造(zao)得(de)足(zu)夠(gou)大(da)以(yi)提(ti)供(gong)具(ju)有(you)足(zu)夠(gou)低(di)的(de)導(dao)通(tong)阻(zu)抗(kang)，從(cong)而(er)提(ti)供(gong)充(chong)足(zu)的(de)保(bao)護(hu)，那(na)麼(me)它(ta)們(men)的(de)電(dian)容(rong)通(tong)常(chang)對(dui)高(gao)速(su)應(ying)用(yong)而(er)言(yan)就(jiu)太(tai)大(da)了(le)。TVS二極管產品具有很好的箝位能力
，如今市場上也有超低電容的TVS產品，甚至適合最高速的應用。二極管也頗具吸引力
，因為它們能夠用作單向保護器件
，匹配當今許多高速數字信號的電壓範圍。