ESD原理及典型接口選型應用
發布時間:2016-11-04 責任編輯:cicyxu
【導讀】ESD保護對高密度、小型化和具有複雜功能的電子設備而言具有重要意義。本文探討了采用TVS二極管防止ESD時,最小擊穿電壓和擊穿電流、最大反向漏電流和額定反向關斷電壓等參數對電路的影響及選擇準則,並針對便攜消費電子設備、機頂盒、以及個人電腦中的視頻線路保護、USB保護和RJ-45接口等介紹了一些典型應用。


隨著移動產品、打印機、PC,DVD、機頂盒(STB)等產品的迅速發展,消費者正要求越來越先進的性能。半導體組件日益趨向小型化、gaomiduhegongnengfuzahua,tebieshixiangshishangxiaofeidianzihebianxieshichanpindengduizhubanmianjiyaoqiuyangedeyingyonghenrongyishoudaojingdianfangdiandeyingxiang。yixiecaiyongleshenyaweimigongyiheshenjingxixiankuanbuxiandefuzabandaotigongnengdianlu,duidianlushunbianguochengdeyingxianggengjiamingan,jiangdaozhishangshudewentigengjiajihua。
ESD保護原理
電dian路lu保bao護hu元yuan件jian存cun在zai幾ji種zhong技ji術shu,當dang選xuan擇ze電dian路lu保bao護hu元yuan件jian時shi,若ruo設she計ji師shi選xuan擇ze不bu當dang的de保bao護hu器qi件jian將jiang隻zhi能neng提ti供gong錯cuo誤wu的de安an全quan概gai念nian。電dian路lu保bao護hu元yuan件jian的de選xuan擇ze應ying根gen據ju所suo要yao保bao護hu的de布bu線xian情qing況kuang、可ke用yong的de電dian路lu板ban空kong間jian以yi及ji被bei保bao護hu電dian路lu的de電dian特te性xing來lai決jue定ding。此ci外wai,了le解jie保bao護hu元yuan件jian的de特te性xing知zhi識shi也ye非fei常chang必bi要yao,需xu要yao考kao慮lv的de重zhong要yao因yin素su之zhi一yi是shi器qi件jian的de箝qian位wei電dian壓ya。所suo謂wei箝qian位wei電dian壓ya是shi在zaiESD器件裏跨在瞬變電壓消除器(TVS)上的電壓,它是被保護IC的應變電壓。
因為利用先進工藝技術製造的IC電路裏氧化層比較薄,柵極氧化層更易受到損害。這意味著較高的箝位電壓將在被保護IC器件上產生較高的應變電壓,並且增加了失效的概率。
很(hen)多(duo)保(bao)護(hu)元(yuan)件(jian)都(dou)被(bei)設(she)計(ji)成(cheng)可(ke)吸(xi)收(shou)大(da)量(liang)的(de)能(neng)量(liang),由(you)於(yu)元(yuan)件(jian)結(jie)構(gou)或(huo)設(she)計(ji)上(shang)的(de)原(yuan)因(yin)也(ye)導(dao)致(zhi)其(qi)具(ju)有(you)很(hen)高(gao)的(de)箝(qian)位(wei)電(dian)壓(ya)。由(you)於(yu)變(bian)阻(zu)器(qi)的(de)箝(qian)位(wei)電(dian)壓(ya)太(tai)高(gao),他(ta)們(men)不(bu)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)有(you)效(xiao)的(de)ESD保護。此外,由於變阻器的高電容他們也不能給高速數據線路提供保護。TVS二極管正是為解決此問題而產生的,它已成為保護便攜電子設備的關鍵性技術。
TVS二極管是專門設計用於吸收ESD能量並且保護係統免遭ESD損害的固態元件。如果應用得當,TVS二極管將限製跨在被保護器件上的電壓剛好高過額定工作電壓,但是卻遠低於破壞閾值電壓。
TVS相關參數
處理瞬時脈衝對器件損害的最好辦法是將瞬時電流從敏感器件引開。TVS二極管在線路板上與被保護線路並聯,當瞬時電壓超過電路正常工作電壓後,TVSerjiguanbianfashengxuebeng,tigonggeishunshidianliuyigechaodidianzutonglu,qijieguoshishunshidianliutongguoerjiguanbeiyinkai,bikaibeibaohuqijian,bingqiezaidianyahuifuzhengchangzhizhiqianshibeibaohuhuiluyizhibaochijiezhidianya。dangshunshimaichongjieshuyihou,TVS二er極ji管guan自zi動dong回hui複fu高gao阻zu狀zhuang態tai,整zheng個ge回hui路lu進jin入ru正zheng常chang電dian壓ya。許xu多duo器qi件jian在zai承cheng受shou多duo次ci衝chong擊ji後hou,其qi參can數shu及ji性xing能neng會hui發fa生sheng退tui化hua,而er隻zhi要yao工gong作zuo在zai限xian定ding範fan圍wei內nei,二er極ji管guan將jiang不bu會hui發fa生sheng損sun壞huai或huo退tui化hua。

從以上過程可以看出,在選擇TVS二極管時,必須注意以下幾個參數的選擇:
1. 最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的擊穿電壓,在25℃時,低於這個電壓TVS是不會發生雪崩的。當TVS流過規定的1mA電流(IR)時,加於TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。對於5%的VBR來說,VWM=0.85VBR;對於10%的VBR來說,VWM=0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2國際標準,TVS二極管必須達到可以處理IEC61000-4-2靜電防護第四級的測試標準,最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD衝擊,雷卯電子在汽車電子的TVS器件上都可以滿足接觸和空氣 30KV的測試,所以對於某些有特殊要求的應用,設計者可以按需要挑選器件。
2. 最大反向漏電流ID和額定反向關斷電壓VWM。VWM這是二極管在正常狀態時可承受的電壓,此電壓應大於或等於被保護電路的正常工作電壓,否則二極管會不斷截止回路電壓;但它又需要盡量與被保護回路的正常工作電壓接近,這樣才不會在TVS工作以前使整個回路麵對過壓威脅。當這個額定反向關斷電壓VWM加於TVS的兩極間時它處於反向關斷狀態,流過它的電流應小於或等於其最大反向漏電流ID。
3. 最大箝位電壓VC和最大峰值脈衝電流IPP。當持續時間為20mS的脈衝峰值電流IPP流過TVS時,在其兩端出現的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪湧抑製能力。VC與VBR之比稱為箝位因子,一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止狀態提供的電壓,也就是在ESD衝擊狀態時通過TVS的電壓,它不能大於被保護回路的可承受極限電壓,否則器件麵臨被損傷的危險。
4. Pppm額定脈衝功率,這是基於最大截止電壓和此時的峰值脈衝電流。對於手持設備,一般來說500W的TVS就足夠了。最大峰值脈衝功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈衝功耗值。在給定的最大箝位電壓下,功耗PM越大,其浪湧電流的承受能力越大。在給定的功耗PM下,箝位電壓VC越低,其浪湧電流的承受能力越大。另外,峰值脈衝功耗還與脈衝波形、持續時間和環境溫度有關。而且,TVS所能承受的瞬態脈衝是不重複的,器件規定的脈衝重複頻率(持續時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現重複性脈衝,應考慮脈衝功率的累積,有可能損壞TVS。
5. 電容量C。電容量C是由TVS雪崩結截麵決定的,是在特定的1MHz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。電容對於數據/xinhaopinlvyuegaodehuilu,erjiguandedianrongduidianludeganraoyueda,xingchengzaoshenghuoshuaijianxinhaoqiangdu,yincixuyaogenjuhuiludetexinglaijuedingsuoxuanqijiandedianrongfanwei。gaopinhuiluyibanxuanzedianrongyingjinliangxiao(如LCTVS、低電容TVS,電容不大於3pF),而對電容要求不高的回路電容選擇可高於40pF。
ESD應用
1.底部連接器的應用
底部連接器設計廣泛應用在移動消費類產品上,目前市場上應用產品主要為移動電話、PDA、DSC(數碼相機)以及MP3等便攜產品。
由於是直流回路,可選用普通電容器件。此端口可能會受到高能量的衝擊,可以選用集成TVS或分立的器件。

2 RJ-45(10/100/1000M以太網網絡)
RJ-45接口廣泛應用在網絡連接的接口設備上,典型的應用就是10/100/1000M以太網網絡。


3. 視頻線路的保護
目前視頻常見的輸出端口設計有D-SUB、DVI(28線)、SCART(19線)和D-TERMINAL(主要日係產品在用)。視頻數據線具有高數據傳輸率,數據傳輸率高達480Mbps,有的視頻數據傳輸率達到1G以上,因而要選擇低電容TVS,它通常是將一個低電容二極管與TVS二極管串聯,以降低整個線路的電容(可低於3pF),達到高速率回路的要求。上海雷卯電子公司的ULC0524P具有良好的低電容特性,能夠提供4路ESD保護,而它的後繼產品SRDA05-6能夠提供多達6路ESD保護。SRDA05-X係列產品適用於所有高速通訊線路的保護。

4. SIM卡數據線路保護
SIM卡數據線路保護一直是各個公司的產品重點,而且專門為此類端口設計的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護於一個芯片的器件,充分體現了片式器件的無限集成方案。

在針對不同用途選擇器件時,要避免使器件工作在其設計參數極限附近,還應根據被保護回路的特征及可能承受ESD衝擊的特征選用反應速度足夠快、敏感度足夠高的器件,這對於有效發揮保護器件的作用十分關鍵,另外集成了其它功能的器件也應當首先考慮。
雷卯還提供了多種不同的TVS二極管封裝形式,尤其是像SOT23和SC-70,以及與芯片同等大小的倒裝芯片之類的微型封裝,在板上隻占約4.8mm2的位置,卻可以同時保護多個線路。最近的許多新產品更是適應便攜設備高集成度、小型化要求,將EMI/RFI/ESDbaohujichengzaiyigeqijianzhong,budankeyiyouxiaosuoxiaokongjian,haidadajianshaolechengben,jiangdileqijiancaigouchengbenhejiagongchengben,duiyutongshixuyaozhejizhongbaohugongnengdeduankoulaishuo,keweishejizhedeshouxuan。
對於日益出現的快充USB,對於Vbus的浪湧保護尤其重要,針對快充USB,有對應的ULC1654N可以滿足保護需求。
5. USB保護




6. 音頻/揚聲器數據線路保護
在(zai)音(yin)頻(pin)數(shu)據(ju)線(xian)路(lu)保(bao)護(hu)方(fang)麵(mian),由(you)於(yu)音(yin)頻(pin)回(hui)路(lu)的(de)信(xin)號(hao)速(su)率(lv)比(bi)較(jiao)低(di),對(dui)器(qi)件(jian)電(dian)容(rong)的(de)要(yao)求(qiu)不(bu)太(tai)高(gao),普(pu)通(tong)電(dian)容(rong)指(zhi)標(biao)都(dou)是(shi)可(ke)以(yi)接(jie)受(shou)的(de),有(you)的(de)手(shou)機(ji)設(she)計(ji)中(zhong)將(jiang)耳(er)機(ji)和(he)麥(mai)克(ke)風(feng)合(he)在(zai)一(yi)起(qi),有(you)的(de)則(ze)是(shi)分(fen)立(li)線(xian)路(lu)。前(qian)一(yi)種(zhong)情(qing)況(kuang)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)單(dan)路(lu)TVS,而後一種情況如果兩個回路是鄰近的,則可以選用多路TVS陣列,隻用一個器件就能完成兩個回路的保護。

7. 按鍵/開關
對於按鍵和開關回路,這些回路的數據率很低,對器件的電容沒有特殊要求,用普通的TVS陣列都可以勝任。 以上器件都是用在手機上的ESD防護,其實就是一個5V的防靜電的,可以滿足靜電的需求。

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