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TVS二極管介紹及應用

發(fā)布時(shí)間:2019-03-13 責任編輯:wenwei

【導讀】便攜式設備的ESD保護十分重要,而TVS二極管是一種十分有效的保護器件,與其它器件相比有其獨特的優(yōu)勢,但在應用時(shí)應當針對不同的保護對象來(lái)選用器件,因為不同的端口可能受到的靜電沖擊有所不同,不同器件要求的保護程度也有不同。要注意相應的參數鑒別以及各個(gè)生產(chǎn)商的不同設計,同時(shí)還要進(jìn)行合理的PCB布局。本文介紹在便攜式設備的ESD保護中如何應用TVS二極管器件。 
 
便攜式設備如筆記本電腦、手機、PDA、MP3播放器等,由于頻繁與人體接觸極易受到靜電放電(ESD)的沖擊,如果沒(méi)有選擇合適的保護器件,可能會(huì )造成機器性能不穩定,或者損壞。更壞的情況是查不出確切的原因,使用戶(hù)誤認為是產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題而損壞企業(yè)信譽(yù)。 
 
一般情況下,對此類(lèi)設備暴露在外面可能與人體接觸的端口都要求進(jìn)行防靜電保護,如鍵盤(pán)、電源接口、數據口、I/O口等等?,F在比較通用的ESD標準是IEC61000-4-2,應用人體靜電模式,測試電壓的范圍為2kV~15kV(空氣放電),峰值電流最高為20A/ns,整個(gè)脈沖持續時(shí)間不超過(guò)60ns。在這樣的脈沖下所產(chǎn)生的能量總共不超過(guò)幾百個(gè)微焦爾,但卻足以損壞敏感元器件。
 
TVS二極管介紹及應用
 
便攜式設備所采用的IC器件大多是高集成度、小體積產(chǎn)品,精密的加工工藝使硅晶氧化層非常薄,因而更易擊穿,有的在20V左右就會(huì )受到損傷。傳統的保護方法已不再普遍適用,有的甚至還會(huì )造成對設備性能的干擾。 
 
TVS二極管的特點(diǎn) 
 
可用于便攜式設備的ESD保護器件有很多,例如設計人員可用分立器件搭建保護回路,但由于便攜設備對于空間的限定以及避免回路自感,這種方法已逐漸被更加集成化的器件所替代。多層金屬氧化物器件、陶瓷電容還有二極管都可以有效地進(jìn)行防護,它們的特性及表現各有不同,TVS二極管在此類(lèi)應用中的獨特表現為其贏(yíng)得了越來(lái)越大的市場(chǎng)。 
 
TVS二極管最顯著(zhù)的特點(diǎn)一是反應迅速,使瞬時(shí)脈沖在沒(méi)有對線(xiàn)路或器件造成損傷之前就被有效地遏制,二是截止電壓比較低,更適用于電池供電的低電壓回路環(huán)境。另外對TVS二極管設計的改進(jìn)使其具有更低的漏電流和結電容,因而在處理高速率傳導回路的靜電沖擊時(shí)有更理想的性能表現。
 
TVS二極管的優(yōu)勢 
 
TVS與齊納二極管:與傳統的齊納二極管相比,TVS二極管P/N結面積更大,這一結構上的改進(jìn)使TVS具有更強的高壓承受能力,同時(shí)也降低了電壓截止率,因而對于保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。 
 
VS與陶瓷電容:很多設計人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD保護,不但便宜而且設計簡(jiǎn)便,但這類(lèi)器件對高壓的承受力卻比較弱。5kV的沖擊會(huì )造成約10%陶瓷電容失效,到10kV時(shí),損壞率達到60%,而TVS可以承受15kV電壓。在手持設備的使用過(guò)程中,由于與人體頻繁接觸,各個(gè)端口必須至少能夠承受8kV接觸沖擊(IEC61000-4-2標準),可見(jiàn)使用TVS可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。
 
TVS與MLV:多層金屬氧化物結構器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制,此類(lèi)器件具有非線(xiàn)性電壓-電流(阻抗表現)關(guān)系,截止電壓可達最初中止電壓的2~3倍,這種特性適合用于對電壓不太敏感的線(xiàn)路和器件的保護,如電源回路。而TVS二極管具有更好的電壓截止因子,同時(shí)還具有較低的電容,這一點(diǎn)對于手持設備的高頻端口非常重要,因為過(guò)高的電容會(huì )影響數據傳輸,造成失真或是降級。TVS二極管的各種表面封裝均適合流水線(xiàn)裝配的要求,而且芯片結構便于集成其它的功能,如EMI和RFI過(guò)濾保護等,可有效降低器件成本,優(yōu)化整體設計。 
 
另一個(gè)不能忽略的特點(diǎn)是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個(gè)芯片上,現有很多將EMI過(guò)濾和RFI防護等功能與TVS集成在一起的器件,不但減少設計所采用的器件數目降低成本,而且也避免PCB板上布線(xiàn)時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。 
 
 TVS器件的選用
 
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40pF。
 
(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(MB,接觸)和15 kV(BM,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。
 
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(dòng)消費類(lèi)產(chǎn)品上,目前市場(chǎng)上應用產(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。
  
由于是直流回路,可選用高電容器件。此端口可能會(huì )受到高能量的沖擊,可以選用集成了TVS和過(guò)流保護功能的器件。 
 
2 RJ-45(10/100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )) 
 
RJ-45接口廣泛應用在網(wǎng)絡(luò )連接的接口設備上,典型的應用就是10/100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。 
 
3. 視頻線(xiàn)路的保護 
 
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)。視頻數據線(xiàn)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LCTVS,它通常是將一個(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3pF),達到高速率回路的要求。 
 
4. 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)品重點(diǎn),而且專(zhuān)門(mén)為此類(lèi)端口設計的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護于一個(gè)芯片的器件,充分體現了片式器件的無(wú)限集成方案。 
 
在針對不同用途選擇器件時(shí),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沖擊的特征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首先考慮。
 
 5. USB保護 
 
一般USB的ESD保護分上行和下行兩種情況。
 
 
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