ESD原理及典型接口選型應(yīng)用

【導(dǎo)讀】ESD保護(hù)對(duì)高密度、小型化和具有復(fù)雜功能的電子設(shè)備而言具有重要意義。本文探討了采用TVS二極管防止ESD時(shí)，最小擊穿電壓和擊穿電流、最大反向漏電流和額定反向關(guān)斷電壓等參數(shù)對(duì)電路的影響及選擇準(zhǔn)則，并針對(duì)便攜消費(fèi)電子設(shè)備、機(jī)頂盒、以及個(gè)人電腦中的視頻線路保護(hù)、USB保護(hù)和RJ-45接口等介紹了一些典型應(yīng)用。

隨著移動(dòng)產(chǎn)品、打印機(jī)、PC，DVD、機(jī)頂盒(STB)等產(chǎn)品的迅速發(fā)展，消費(fèi)者正要求越來(lái)越先進(jìn)的性能。半導(dǎo)體組件日益趨向小型化、高密度和功能復(fù)雜化，特別是像時(shí)尚消費(fèi)電子和便攜式產(chǎn)品等對(duì)主板面積要求嚴(yán)格的應(yīng)用很容易受到靜電放電的影響。一些采用了深亞微米工藝和甚精細(xì)線寬布線的復(fù)雜半導(dǎo)體功能電路，對(duì)電路瞬變過(guò)程的影響更加敏感，將導(dǎo)致上述的問(wèn)題更加激化。

ESD保護(hù)原理

電路保護(hù)元件存在幾種技術(shù)，當(dāng)選擇電路保護(hù)元件時(shí)，若設(shè)計(jì)師選擇不當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)器件將只能提供錯(cuò)誤的安全概念。電路保護(hù)元件的選擇應(yīng)根據(jù)所要保護(hù)的布線情況、可用的電路板空間以及被保護(hù)電路的電特性來(lái)決定。此外，了解保護(hù)元件的特性知識(shí)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器件里跨在瞬變電壓消除器(TVS)上的電壓，它是被保護(hù)IC的應(yīng)變電壓。

因?yàn)槔孟冗M(jìn)工藝技術(shù)制造的IC電路里氧化層比較薄，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(hù)IC器件上產(chǎn)生較高的應(yīng)變電壓，并且增加了失效的概率。

很多保護(hù)元件都被設(shè)計(jì)成可吸收大量的能量，由于元件結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)上的原因也導(dǎo)致其具有很高的箝位電壓。由于變阻器的箝位電壓太高，他們不能夠提供有效的ESD保護(hù)。此外，由于變阻器的高電容他們也不能給高速數(shù)據(jù)線路提供保護(hù)。TVS二極管正是為解決此問(wèn)題而產(chǎn)生的，它已成為保護(hù)便攜電子設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)。

TVS二極管是專門設(shè)計(jì)用于吸收ESD能量并且保護(hù)系統(tǒng)免遭ESD損害的固態(tài)元件。如果應(yīng)用得當(dāng)，TVS二極管將限制跨在被保護(hù)器件上的電壓剛好高過(guò)額定工作電壓，但是卻遠(yuǎn)低于破壞閾值電壓。

TVS相關(guān)參數(shù)

處理瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的最好辦法是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。TVS二極管在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后，TVS二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過(guò)二極管被引開(kāi)，避開(kāi)被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動(dòng)回復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。許多器件在承受多次沖擊后，其參數(shù)及性能會(huì)發(fā)生退化，而只要工作在限定范圍內(nèi)，二極管將不會(huì)發(fā)生損壞或退化。

從以上過(guò)程可以看出，在選擇TVS二極管時(shí)，必須注意以下幾個(gè)參數(shù)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(shí)，低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過(guò)規(guī)定的1mA電流(IR)時(shí)，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把VBR分為5%和10%兩種。對(duì)于5%的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.85VBR；對(duì)于10%的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，TVS二極管必須達(dá)到可以處理IEC61000-4-2靜電防護(hù)第四級(jí)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，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(cè)試，所以對(duì)于某些有特殊要求的應(yīng)用，設(shè)計(jì)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(guān)斷電壓VWM。VWM這是二極管在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓，否則二極管會(huì)不斷截止回路電壓；但它又需要盡量與被保護(hù)回路的正常工電壓接近，這樣才不會(huì)在TVS工作以前使整個(gè)回路面對(duì)過(guò)壓威脅。當(dāng)這個(gè)額定反向關(guān)斷電壓VWM加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過(guò)它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。

3. 最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過(guò)TVS時(shí)，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止?fàn)顟B(tài)提供的電壓，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(hù)回路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損傷的危險(xiǎn)。

4. Pppm額定脈沖功率，這是基于最大截止電壓和此時(shí)的峰值脈沖電流。對(duì)于手持設(shè)備，一般來(lái)說(shuō)500W的TVS就足夠了。最大峰值脈沖功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。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(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。

5. 電容量C。電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的1MHz頻率下測(cè)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(hào)衰減。因此，C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。電容對(duì)于數(shù)據(jù)/信號(hào)頻率越高的回路，二極管的電容對(duì)電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號(hào)強(qiáng)度，因此需要根據(jù)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(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容TVS，電容不大于3pF)，而對(duì)電容要求不高的回路電容選擇可高于40pF。

ESD應(yīng)用

1.底部連接器的應(yīng)用

底部連接器設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用在移動(dòng)消費(fèi)類產(chǎn)品上，目前市場(chǎng)上應(yīng)用產(chǎn)品主要為移動(dòng)電話、PDA、DSC(數(shù)碼相機(jī))以及MP3等便攜產(chǎn)品。

由于是直流回路，可選用普通電容器件。此端口可能會(huì)受到高能量的沖擊，可以選用集成TVS或分立的器件。

2 RJ-45(10/100/1000M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò))

RJ-45接口廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)連接的接口設(shè)備上，典型的應(yīng)用就是10/100/1000M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

3. 視頻線路的保護(hù)

目前視頻常見(jiàn)的輸出端口設(shè)計(jì)有D-SUB、DVI(28線)、SCART(19線)和D-TERMINAL(主要日系產(chǎn)品在用)。視頻數(shù)據(jù)線具有高數(shù)據(jù)傳輸率，數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)480Mbps，有的視頻數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到1G以上，因而要選擇低電容TVS，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)線路的電容(可低于3pF)，達(dá)到高速率回路的要求。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(hù)，而它的后繼產(chǎn)品SRDA05-6能夠提供多達(dá)6路ESD保護(hù)。SRDA05-X系列產(chǎn)品適用于所有高速通訊線路的保護(hù)。

4. SIM卡數(shù)據(jù)線路保護(hù)

SIM卡數(shù)據(jù)線路保護(hù)一直是各個(gè)公司的產(chǎn)品重點(diǎn),而且專門為此類端口設(shè)計(jì)的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護(hù)于一個(gè)芯片的器件，充分體現(xiàn)了片式器件的無(wú)限集成方案。

在針對(duì)不同用途選擇器件時(shí)，要避免使器件工作在其設(shè)計(jì)參數(shù)極限附近，還應(yīng)根據(jù)被保護(hù)回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征選用反應(yīng)速度足夠快、敏感度足夠高的器件，這對(duì)于有效發(fā)揮保護(hù)器件的作用十分關(guān)鍵，另外集成了其它功能的器件也應(yīng)當(dāng)首先考慮。

雷卯還提供了多種不同的TVS二極管封裝形式，尤其是像SOT23和SC-70，以及與芯片同等大小的倒裝芯片之類的微型封裝，在板上只占約4.8mm2的位置，卻可以同時(shí)保護(hù)多個(gè)線路。最近的許多新產(chǎn)品更是適應(yīng)便攜設(shè)備高集成度、小型化要求，將EMI/RFI/ESD保護(hù)集成在一個(gè)器件中，不但可以有效縮小空間，還大大減少了成本，降低了器件采購(gòu)成本和加工成本，對(duì)于同時(shí)需要這幾種保護(hù)功能的端口來(lái)說(shuō)，可謂設(shè)計(jì)者的首選。

對(duì)于日益出現(xiàn)的快充USB，對(duì)于Vbus的浪涌保護(hù)尤其重要，針對(duì)快充USB，有對(duì)應(yīng)的ULC1654N可以滿足保護(hù)需求。

5. USB保護(hù)

6. 音頻/揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)線路保護(hù)

在音頻數(shù)據(jù)線路保護(hù)方面，由于音頻回路的信號(hào)速率比較低，對(duì)器件電容的要求不太高，普通電容指標(biāo)都是可以接受的，有的手機(jī)設(shè)計(jì)中將耳機(jī)和麥克風(fēng)合在一起，有的則是分立線路。前一種情況可以選擇單路TVS，而后一種情況如果兩個(gè)回路是鄰近的，則可以選用多路TVS陣列，只用一個(gè)器件就能完成兩個(gè)回路的保護(hù)。

7. 按鍵/開(kāi)關(guān)

對(duì)于按鍵和開(kāi)關(guān)回路，這些回路的數(shù)據(jù)率很低，對(duì)器件的電容沒(méi)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(jī)上的ESD防護(hù)，其實(shí)就是一個(gè)5V的防靜電的，可以滿足靜電的需求。