ESD原理保護及典型接口選型應用方案解析

　　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。本文探討了採用TVS二極體防止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。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/366058.htm

　　隨著移動產品、印表機、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、高密度和功能複雜化，特別是像時尚消費電子和可攜式產品等對主板面積要求嚴格的應用很容易受到靜電放電的影響。一些採用了深亞微米工藝和甚精細線寬布線的複雜半導體功能電路，對電路瞬變過程的影響更加敏感，將導致上述的問題更加激化。

　　ESD保護原理

　　電路保護元件存在幾種技術，當選擇電路保護元件時，若設計師選擇不當的保護器件將只能提供錯誤的安全概念。電路保護元件的選擇應根據所要保護的布線情況、可用的電路板空間以及被保護電路的電特性來決定。此外，了解保護元件的特性知識也非常必要，需要考慮的重要因素之一是器件的箝位電壓。所謂箝位電壓是在ESD器件裡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電路裡氧化層比較薄，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。

　　很多保護元件都被設計成可吸收大量的能量，由於元件結構或設計上的原因也導致其具有很高的箝位電壓。由於變阻器的箝位電壓太高，他們不能夠提供有效的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二極體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二極體是專門設計用於吸收ESD能量並且保護系統免遭ESD損害的固態元件。如果應用得當，TVS二極體將限制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二極體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，TVS二極體便發生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結果是瞬時電流通過二極體被引開，避開被保護器件，並且在電壓恢復正常值之前使被保護迴路一直保持截止電壓。當瞬時脈衝結束以後，TVS二極體自動回復高阻狀態，整個迴路進入正常電壓。許多器件在承受多次衝擊後，其參數及性能會發生退化，而只要工作在限定範圍內，二極體將不會發生損壞或退化。

　　

　　從以上過程可以看出，在選擇TVS二極體時，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二極體必須達到可以處理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這是二極體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，否則二極體會不斷截止迴路電壓；但它又需要儘量與被保護迴路的正常工作電壓接近，這樣才不會在TVS工作以前使整個迴路面對過壓威脅。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的浪湧抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極體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，它不能大於被保護迴路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損傷的危險。

　　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雪崩結截面決定的，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/信號頻率越高的迴路，二極體的電容對電路的幹擾越大，形成噪聲或衰減信號強度，因此需要根據迴路的特性來決定所選器件的電容範圍。高頻迴路一般選擇電容應儘量小（如LCTVS、低電容TVS，電容不大於3pF），而對電容要求不高的迴路電容選擇可高於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行動電話、PDA、DSC（數位相機）以及MP3等便攜產品。

　　由於是直流迴路，可選用普通電容器件。此埠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（10/100/100 20M乙太網網絡）

　　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乙太網網絡。

　　

　　

　　3. 視頻線路的保護

　　目前視頻常見的輸出埠設計有D-SUB、DVI（28線）、SCART（19線）和D-TERMINAL（主要日系產品在用）。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體與TVS二極體串聯，以降低整個線路的電容（可低於3pF），達到高速率迴路的要求。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系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，而且專門為此類埠設計的集ESD（TVS）/EMI/RFI防護於一個晶片的器件，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，還應根據被保護迴路的特徵及可能承受ESD衝擊的特徵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二極體封裝形式，尤其是像SOT23和SC-70，以及與晶片同等大小的倒裝晶片之類的微型封裝，在板上只佔約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/ESD保護集成在一個器件中，不但可以有效縮小空間，還大大減少了成本，降低了器件採購成本和加工成本，對於同時需要這幾種保護功能的埠來說，可謂設計者的首選。

　　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

　　在音頻數據線路保護方面，由於音頻迴路的信號速率比較低，對器件電容的要求不太高，普通電容指標都是可以接受的，有的手機設計中將耳機和麥克風合在一起，有的則是分立線路。前一種情況可以選擇單路TVS，而後一種情況如果兩個迴路是鄰近的，則可以選用多路TVS陣列，只用一個器件就能完成兩個迴路的保護。

　　

　　7. 按鍵/開關

　　對於按鍵和開關迴路，這些迴路的數據率很低，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。