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TVS二极管的ESD原理及典型电路案例
发布者:深圳市踏歌科技有限公司  发布时间:2016-11-14
  静电是一种客观存在的自然现象,产生的方式多种,如接触、摩擦、电器间感应等。静电的特点是长时间积聚、高电压、低电量、小电流和作用时间短的特点。
  人体自身的动作或与其他物体的接触,分离,摩擦或感应等因素,可以产生几千伏甚至上万伏的静电。静电在多个领域造成严重危害。摩擦起电和人体静电是电子工业中的两大危害,常常造成电子电器产品运行不稳定,甚至损坏。
  生产过程中静电防护的主要措施为静电泄露、耗散、中和、增湿,屏蔽与接地。人体静电防护系统主要有防静电手腕带、脚腕带、脚跟带、工作服、鞋袜、帽、手套或指套等组成,具有静电泄放,中和与屏蔽等功能。
  esd保护对高密度、小型化和具有复杂功能的电子设备而言具有重要意义。本文探讨了采用TVS二极管防止esd时,最小击穿电压和击穿电流、最大反向漏电流和额定反向关断电压等参数对电路的影响及选择准则,并针对便携消费电子设备、机顶盒、以及个人电脑中的视频线路保护、USB保护和RJ-45接口等介绍了一些典型应用。
  随着移动产品、打印机、PC,DVD、机顶盒(STB)等产品的迅速发展,消费者正要求越来越先进的性能。半导体组件日益趋向小型化、高密度和功能复杂化,特别是像时尚消费电子和便携式产品等对主板面积要求严格的应用很容易受到静电放电的影响。一些采用了深亚微米工艺和甚精细线宽布线的复杂半导体功能电路,对电路瞬变过程的影响更加敏感,将导致上述的问题更加激化。

  esd保护原理
  电路保护元件存在几种技术,当选择电路保护元件时,若设计师选择不当的保护器件将只能提供错误的安全概念。电路保护元件的选择应根据所要保护的布线情况、可用的电路板空间以及被保护电路的电特性来决定。此外,了解保护元件的特性知识也非常必要,需要考虑的重要因素之一是器件的箝位电压。所谓箝位电压是在esd器件里跨在瞬变电压消除器(TVS)上的电压,它是被保护IC的应变电压。
  因为利用先进工艺技术制造的IC电路里氧化层比较薄,栅极氧化层更易受到损害。这意味着较高的箝位电压将在被保护IC器件上产生较高的应变电压,并且增加了失效的概率。
  很多保护元件都被设计成可吸收大量的能量,由于元件结构或设计上的原因也导致其具有很高的箝位电压。由于变阻器的箝位电压太高,他们不能够提供有效的esd保护。此外,由于变阻器的高电容他们也不能给高速数据线路提供保护。TVS二极管正是为解决此问题而产生的,它已成为保护便携电子设备的关键性技术。
  TVS二极管是专门设计用于吸收esd能量并且保护系统免遭esd损害的固态元件。如果应用得当,TVS二极管将限制跨在被保护器件上的电压刚好高过额定工作电压,但是却远低于破坏阈值电压。
  值得注意的是,不管选择怎样的TVS器件,它们在电路板上的布局非常重要。TVS布局前的导线长度应该减到最小,因为快速(0.7ns)esd脉冲可能产生导致TVS保护能力下降的额外电压。

  esd保护典型电路
  我们经常可以见到的esd保护电路如下图:
ESD的原理及典型电路
  RJ-45(10/100M以太网网络)
  RJ-45接口广泛应用在网络连接的接口设备上,典型的应用就是10/100M以太网网络。
ESD的原理及典型电路
  视频线路的保护
  目前视频常见的输出端口设计有D-SUB、DVI(28线)、SCART(19线)和D-TERMINAL(主要日系产品在用)。视频数据线具有高数据传输率,数据传输率高达480Mbps,有的视频数据传输率达到1G以上,因而要选择低电容TVS,它通常是将一个低电容二极管与TVS二极管串联,以降低整个线路的电容(可低于3pF),达到高速率回路的要求。上海雷卯电子公司的ULC0524P具有良好的低电容特性,能够提供4路esd保护,而它的后继产品SRDA05-6能够提供多达6路esd保护。SRDA05-X系列产品适用于所有高速通讯线路的保护。
ESD的原理及典型电路
  SIM卡数据线路保护
  SIM卡数据线路保护一直是各个公司的产品重点,而且专门为此类端口设计的集esd(TVS)/EMI/RFI防护于一个芯片的器件,充分体现了片式器件的无限集成方案。
ESD的原理及典型电路
ESD的原理及典型电路
ESD的原理及典型电路
  按键/开关
  对于按键和开关回路,这些回路的数据率很低,对器件的电容没有特殊要求,用普通的TVS阵列都可以胜任。 以上器件都是用在手机上的esd防护,其实就是一个5V的防静电的,可以满足静电的需求。
ESD的原理及典型电路
  硬件设计要注意的问题
  由于国外进口电子产品时均要求通过静电测试,这就要求我们设计产品时应充分考虑esd问题,在硬件的设计上应该注意的有以下几个方面的问题:
  首先,静电会通过两种渠道在传播,一种是感应的空气放电,另外一种是传导;感应的空气放电主要防护措施是屏蔽,主要考虑结构等方面的问题;传导的防护主要是吸收,我们只要在需要保护的端口前增加esd即可;
  其次,在我们增加保护器件esd时,尽量远离受保护的端口而尽量靠近静电到入口;
  在次,在设计PCB时经过esd期间的线路,尽量产生锐角;
  最后,应该重点考虑受保护器件的地线走向问题,是否也是全部纳入受保护的范畴,否则在做静电反向脉冲测试时,无法达到正向脉冲的等级。
  在针对不同用途选择器件时,要避免使器件工作在其设计参数极限附近,还应根据被保护回路的特征及可能承受esd冲击的特征选用反应速度足够快、敏感度足够高的器件,这对于有效发挥保护器件的作用十分关键,另外集成了其它功能的器件也应当首先考虑。


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