TVS器件信息設(shè)備ESD防護中的應(yīng)用

引言

隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)前半導(dǎo)體器件日益趨向小型化、高密度和多功能化，特別是像時尚消費電子和便攜式產(chǎn)品等對主板面積要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用，很容易受到靜電放電(esd)的影響。電路保護元件的選擇根據(jù)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。因為利用先進工藝技術(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。而且一些采用深亞微米工藝和甚精細線寬布線的復(fù)雜半導(dǎo)體功能電路，對電路瞬變過程的影響更加敏感，這將導(dǎo)致上述問題加重。因此要求保護器件必須具備低箝位電壓以提供有效的esd保護；而且響應(yīng)時間快以滿足高速數(shù)據(jù)線路的要求；封裝集成度高以適用便攜設(shè)備印制電路板面緊張的情況；同時還要保證多次esd過程后不會劣化以保證高檔設(shè)備應(yīng)有的品質(zhì)。tvs(transient voltage suppresser瞬態(tài)電壓抑制器)正是為解決這些問題而產(chǎn)生的，它已成為保護電子信息設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)器件。

tvs的特性與工作原理

tvs是普遍使用的一種新型高效電路保護器件，它具有極快的響應(yīng)時間(亞納秒級)和相當(dāng)高的浪涌吸收能力。當(dāng)它的兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，tvs能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻抗變?yōu)榈妥杩?，以吸收一個瞬間大電流，從而把它的兩端電壓箝制在一個預(yù)定的數(shù)值上，從而保護后面的電路元件不受瞬態(tài)高壓尖峰脈沖的沖擊。正因為如此，tvs可用于保護設(shè)備或電路免受靜電、電感性負載切換時產(chǎn)生的瞬變電壓[4]，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。圖1所示為tvs的符號及伏安特性曲線。

tvs管和穩(wěn)壓管一樣，也是反向應(yīng)用的。其中vr稱為最大轉(zhuǎn)折電壓，是反向擊穿之前的臨界電壓。vb是擊穿電壓，其對應(yīng)的反向電流it一般取值為1 ma。vc是最大箝位電壓，當(dāng)tvs管中流過的峰值電流為ipp的大電流時，管子兩端電壓就不再上升了。因此tvs管能夠始終把被保護的器件或設(shè)備的端口電壓限制在vb～vc的有效區(qū)內(nèi)。與穩(wěn)壓管不同的是，ipp的數(shù)值可達數(shù)百安培，而箝位響應(yīng)時間僅為1×10-12s。tvs的最大允許脈沖功率為pm=vcipp，且在給定最大鉗位電壓下，功耗pm越大，其浪涌電流的承受能力越大。

圖2是在雙蹤示波器上觀察到的tvs管在承受大電流沖擊時的電流及電壓波形。圖中，曲線1是tvs管中的電流波形，可以看出：其流過tvs管的電流由1ma突然上升到峰值后，然后按指數(shù)規(guī)律下降。曲線2是tvs管兩端的電壓波形，它表示tvs中的電流突然上升時，tvs兩端電壓也隨之上升。在浪涌電壓的作用下，tvs兩極間的電壓由額定反向關(guān)斷電壓vrwm上升到擊穿電壓vb而被擊穿。隨著擊穿電流的出現(xiàn)，流過tvs的電流將達到峰值脈沖電流ipp，同時其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓vc以下。其后，隨著脈沖電流按指數(shù)衰減，該過程中，tvs兩極間的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到初態(tài)，這就是tvs抑制可能出現(xiàn)的浪涌脈沖功率，保護電子元器件的過程。事實上，當(dāng)tvs兩極受到反向高能量沖擊時，它能以10-12s級的速度，將其兩極間的阻抗由高變低，以吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電位箝位于預(yù)定值，從而有效地保護電子設(shè)備中的元器件免受esd的損害。

tvs的分類及選用方法

tvs器件按極性可分為單極性和雙極性兩種；按用途可分為通用型和專用型；按封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為軸向引線二極管、雙列直插tvs陣列、貼片式和大功率模塊等[1]。軸向引線的產(chǎn)品峰值功率可達400 w、500 w、600w、1500w和5 000w。其中大功率的產(chǎn)品主要用在電源饋線上，低功率產(chǎn)品主要用在高密度安裝場合。對于高密度安裝的場合，也可以選擇雙列直插和表面貼裝等封裝形式。

在選用tvs時，應(yīng)考慮以下幾個主要因素：

(1)若tvs有可能承受來自兩個方向的尖峰脈沖電壓(浪涌電壓)沖擊時，應(yīng)當(dāng)選用雙極性的，否則可選用單極性。

(2)所選用tvs的vc值應(yīng)低于被保護元件的最高電壓。vc是二極管在截止?fàn)顟B(tài)的電壓，也就是在esd沖擊狀態(tài)時通過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(yīng)綜合考慮vr和vc兩方面的要求來選擇適當(dāng)?shù)膖vs。

(4)如果知道比較準(zhǔn)確的浪涌電流ipp，則可利用vcipp來確定功率；如果無法確定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(xù)時間和環(huán)境溫度有關(guān)。

(5)tvs所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)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，不然有可能損壞tvs。

(6)對于小電流負載的保護，可有意識地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，一般不會影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會大大減小。但這樣可能選用峰值功率較小的tvs管來對小電流負載線路進行保護。

(7)電容量c是由tvs雪崩結(jié)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(shù)據(jù)接口電路選用tvs的重要參數(shù)。對于數(shù)據(jù)／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(jù)回路的特性來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3 pf)，而對電容要求不高的回路，電容的容量選擇可高于40 pf。

(8)為了滿足iec61000-4-2國際標(biāo)準(zhǔn)，tvs二極管必須達到可以處理最小8 kv(接觸)和15 kv(空氣)的esd沖擊，有的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。而對于某些有特殊要求的便攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計者可以按需要挑選器件。

基于tvs的esd防護

處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法，就是將瞬時電流從敏感器件引開[3][5]。方法是tvs二極管在線路板上與被保護線路并聯(lián)。這樣當(dāng)瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，tvs二極管便發(fā)生雪崩，以提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時電流通過二極管被引開，從而避開被保護器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時脈沖結(jié)束以后，tvs二極管自動同復(fù)高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓狀態(tài)。

便攜產(chǎn)品底部連接器的保護

底部連接器設(shè)計廠泛應(yīng)用在移動消費類產(chǎn)品上，目前市場上的應(yīng)用產(chǎn)品主要為移動電話、pda、dsc(數(shù)碼相機)以及mp3等便攜產(chǎn)品。在這些產(chǎn)品中，當(dāng)數(shù)據(jù)線接口與外部設(shè)備連接時，可能會受到高能量的沖擊，故可采用如圖3所示的tvs橋式保護電路。目前，集成有tvs和過流保護功能的常見器件有：nzqa系列、msqa系列、nsqa系列和smf系列，以上產(chǎn)品都帶4個單相獨立線路esd保護，其中nzqa系列的封裝形式是sot-553，其它三個系列的封裝形式是sc-88a。由于sot5xx封裝的tvs器件均針對260℃回焊溫度處理工藝生產(chǎn)，符合100％無鉛和靜電放電保護要求，因而比傳統(tǒng)的封裝可減少電路板空間達36％，厚度降低40％，適合用于對電路板空間要求嚴(yán)格的便攜設(shè)備，如手機、數(shù)碼相機、mp3播放器等。