採用TVS二極體的ESD原理及典型電路

　　靜電是一種客觀存在的自然現象，產生的方式多種，如接觸、摩擦、電器間感應等。靜電的特點是長時間積聚、高電壓、低電量、小電流和作用時間短的特點。

　　人體自身的動作或與其他物體的接觸，分離，摩擦或感應等因素，可以產生幾千伏甚至上萬伏的靜電。靜電在多個領域造成嚴重危害。摩擦起電和人體靜電是電子工業中的兩大危害，常常造成電子電器產品運行不穩定，甚至損壞。

　　生產過程中靜電防護的主要措施為靜電洩露、耗散、中和、增溼，屏蔽與接地。人體靜電防護系統主要有防靜電手腕帶、腳腕帶、腳跟帶、工作服、鞋襪、帽、手套或指套等組成，具有靜電洩放，中和與屏蔽等功能。

　　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。

　　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。

　　值得注意的是，不管選擇怎樣的TVS器件，它們在電路板上的布局非常重要。TVS布局前的導線長度應該減到最小，因為快速（0.7ns）esd脈衝可能產生導致TVS保護能力下降的額外電壓。

　　esd保護典型電路

　　我們經常可以見到的esd保護電路如下圖：

　　

　　RJ-45（10/100M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10/100M乙太網網絡。

　

　　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。

　　

　　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。

　　

　　

　　

　　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。

　　

　　硬體設計要注意的問題

　　由於國外進口電子產品時均要求通過靜電測試，這就要求我們設計產品時應充分考慮esd問題，在硬體的設計上應該注意的有以下幾個方面的問題：

　　首先，靜電會通過兩種渠道在傳播，一種是感應的空氣放電，另外一種是傳導；感應的空氣放電主要防護措施是屏蔽，主要考慮結構等方面的問題；傳導的防護主要是吸收，我們只要在需要保護的埠前增加esd即可；

　　其次，在我們增加保護器件esd時，儘量遠離受保護的埠而儘量靠近靜電到入口；

　　在次，在設計PCB時經過esd期間的線路，儘量產生銳角；

　　最後，應該重點考慮受保護器件的地線走向問題，是否也是全部納入受保護的範疇，否則在做靜電反向脈衝測試時，無法達到正向脈衝的等級。

　　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。

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