如何選擇ESD保護元件

本文將分析系統(tǒng)設(shè)計師可以采用的一些保護產(chǎn)品類型，并比較它們的特性。為了確保系統(tǒng)在遭受ESD事件時的魯棒性，必須按照IEC 61000-4-2等標準來測試這些產(chǎn)品。系統(tǒng)設(shè)計師采用多種方法來確保產(chǎn)品符合主流的ESD標準，包括解決外殼設(shè)計、電路板設(shè)計、元件選擇，甚至是軟件修復(fù)。其中一個重要的方法是在輸入和輸出(I/O)連接器等關(guān)鍵電路節(jié)點處使用保護元件。ESD保護元件通常稱作瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。

TVS的ESD保護原理

許多集成電路(IC)都有一些可能比較敏感的輸入，這使得它們在輸入電壓遠高于正常值的的情況下(例如在ESD應(yīng)力作用下)易于受損。正常工作電壓與使器件開始受損的電壓之間的區(qū)域是安全過壓區(qū)。安全過壓區(qū)與器件受損區(qū)之間有少許交疊，因為如果較大的過壓僅持續(xù)極短時間，那么即使不是在安全過壓區(qū)，器件可能也可以承受。TVS的任務(wù)就是發(fā)生ESD事件時，將輸入電壓維持在安全過壓范圍之內(nèi)，而在正常工作時不影響系統(tǒng)性能。TVS器件被放置于鄰近ESD事件可能進入系統(tǒng)的位置，旨在限制敏感節(jié)點處的電壓，并將電流引至不太敏感的節(jié)點，如地電平。為實現(xiàn)這個功能，TVS必須在正常工作電壓范圍內(nèi)擁有高阻抗,在正常工作電壓范圍之外擁有低阻抗，這樣才能將電流直接從敏感節(jié)點引開，并限制瞬態(tài)電壓。

對TVS的基本要求與具體應(yīng)用有關(guān)，但一般情況下有如下要求：(1)能夠在期望的ESD應(yīng)力下正常工作；(2)在正常電壓范圍內(nèi)具有高阻抗(低泄漏)；(3)在正常電壓范圍之外呈低阻抗；(4)導(dǎo)通電壓適合應(yīng)用；(5)在遭受應(yīng)力期間可快速地從高阻抗轉(zhuǎn)換至低阻抗(6)電容對目標應(yīng)用而言不太高。在比較具體的TVS器件類型之前，需要理解兩種分類。

單向與雙向保護：單向和雙向TVS器件都能抑制正向和負向應(yīng)力。依據(jù)TVS維持高阻抗、低泄漏狀態(tài)的電壓范圍，可以最好地理解這兩個術(shù)語的不同。這種電壓范圍決定了TVS器件能保護的電路節(jié)點類型。雙向TVS具有相對于零伏電壓的對稱特性(圖1)。雙向器件最適合保護電壓基于零伏對稱或雙向的電路節(jié)點。單向TVS產(chǎn)品具有相對零伏電壓不對稱的特性。單向TVS器件極適合保護電壓極性始終相同的電路節(jié)點，如0到5伏這樣的單極性電壓。

電壓箝位與消弧：電壓箝位器件的工作原理是從低電壓時的高阻抗轉(zhuǎn)換至高于導(dǎo)通電壓時的低阻抗，且沒有負阻抗區(qū)域(圖2)。這器件通過提供接地的低阻抗通道，對高于導(dǎo)通電壓的電壓進行箝位。消弧(crowbar)器件在低電壓時也呈高阻抗，但當電壓較高時觸發(fā)新的導(dǎo)通機制，使電流增大，并伴隨著電壓下降。因此，消弧器件擁有負阻抗區(qū)域。某些消弧器件的觸發(fā)電壓可能非常高。如果消弧TVS觸發(fā)器的速度足夠快，就可以經(jīng)常提供保護，即便電壓已經(jīng)達到可能導(dǎo)致器件損壞的電平。消弧器件有時也稱作“驟回”器件，因為電壓驟然下降。

ESD TVS器件采用的技術(shù)主要有三種：壓敏電阻、聚合物和硅二極管，每種技術(shù)各有其獨特特性。