TVS ESD 二极管介绍与应用说明

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1、深圳市道正工贸有限公司 1 TVS ESD 二极管介绍与应用说明 便携式设备的 ESD 保护十分重要，而 TVS 二极管是一种十分有效的保护器件，与其它器件相比有其 独特的优势，但在应用时应当针对不同的保护对象来选用器件，因为不同的端口可能受到的静电冲击有 所不同，不同器件要求的保护程度也有不同。要注意相应的参数鉴别以及各个生产商的不同设计，同时 还要进行合理的 PCB 布局。本文介绍在便携式设备的 ESD 保护中如何应用 TVS 二极管器件。 便携式设备如笔记本电脑、手机、PDA、MP3 播放器等，由于频繁与人体接触极易受到静电放电(ESD) 的冲击，如果没有选择合适的保护器件，可能会造成机

2、器性能不稳定，或者损坏。更坏的情况是查不出 确切的原因，使用户误认为是产品质量问题而损坏企业信誉。 一般情况下，对此类设备暴露在外面可能与人体接触的端口都要求进行防静电保护，如键盘、电源 接口、数据口、I/O 口等等。现在比较通用的 ESD标准是IEC61000-4-2，应用人体静电模式，测试电压 的范围为2kV15kV(空气放电)，峰值电流最高为20A/ns，整个脉冲持续时间不超过60ns。在这样的脉 冲下所产生的能量总共不超过几百个微焦尔，但却足以损坏敏感元器件。 便携式设备所采用的 IC器件大多是高集成度、小体积产品，精密的加工工艺使硅晶氧化层非常薄， 因而更易击穿，有的在 20V 左右

3、就会受到损伤。传统的保护方法已不再普遍适用，有的甚至还会造成对 设备性能的干扰。 TVS二极管的特点 可用于便携式设备的 ESD 保护器件有很多，例如设计人员可用分立器件搭建保护回路，但由于便携 设备对于空间的限定以及避免回路自感，这种方法已逐渐被更加集成化的器件所替代。多层金属氧化物 器件、陶瓷电容还有二极管都可以有效地进行防护，它们的特性及表现各有不同，TVS 二极管在此类应用 中的独特表现为其赢得了越来越大的市场。 TVS 二极管最显著的特点一是反应迅速， 使瞬时脉冲在没有对线路或器件造成损伤之前就被有效地 遏制，二是截止电压比较低，更适用于电池供电的低电压回路环境。另外对 TVS 二极

4、管设计的改进使其 具有更低的漏电流和结电容，因而在处理高速率传导回路的静电冲击时有更理想的性能表现。 TVS二极管的优势 TVS 与齐纳二极管： 与传统的齐纳二极管相比， TVS二极管 P/N结面积更大， 这一结构上的改进使 TVS 具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具 有更好效果。 VS 与陶瓷电容：很多设计人员愿意采用表面贴装的陶瓷电容作 ESD 保护，不但便宜而且设计简便， 但这类器件对高压的承受力却比较弱。5kV 的冲击会造成约 10%陶瓷电容失效，到 10kV 时，损坏率达到 60%，而 TVS 可以承受 15kV 电压。在手持设

5、备的使用过程中，由于与人体频繁接触，各个端口必须至少 能够承受8kV 接触冲击(IEC61000-4-2 标准)，可见使用 TVS 可以有效保证最终产品的合格率。 深圳市道正工贸有限公司 Tel:0755-21009980 深圳市道正工贸有限公司 Tel:0755-21009980深圳市道正工贸有限公司 2 TVS 与 MLV：多层金属氧化物结构器件(MLV)也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非 线性电压-电流(阻抗表现)关系，截止电压可达最初中止电压的 23 倍，这种特性适合用于对电压不太 敏感的线路和器件的保护，如电源回路。而 TVS 二极管具有更好的电压截止因子，同时还具

6、有较低的电 容，这一点对于手持设备的高频端口非常重要，因为过高的电容会影响数据传输，造成失真或是降级。 TVS 二极管的各种表面封装均适合流水线装配的要求，而且芯片结构便于集成其它的功能，如 EMI和 RFI 过滤保护等，可有效降低器件成本，优化整体设计。 另一个不能忽略的特点是二极管可以很方便地与其它器件集成在一个芯片上，现有很多将 EMI 过滤 和 RFI 防护等功能与 TVS 集成在一起的器件，不但减少设计所采用的器件数目降低成本，而且也避免 PCB 板上布线时易诱发的伴生自感。 ESD应用 1.底部连接器的应用 底部连接器设计广泛应用在移动消费类产品上，目前市场上应用产品主要为移动电话

7、、PDA、 DSC(数码相机)以及 MP3等便携产品。 由于是直流回路，可选用高电容器件。此端口可能会受到高能量的冲击，可以选用集成了 TVS 和 过流保护功能的器件。 2 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。 3. 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 LCTVS，它通常是将一个

8、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。 4. 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。 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。 5. USB保护 一般 USB 的 ESD保护分上行和下行两种情况。

9、 深圳市道正工贸有限公司 Tel:0755-21009980 深圳市道正工贸有限公司 Tel:0755-21009980深圳市道正工贸有限公司 3 6. 音频/扬声器数据线路保护 在音频数据线路保护方面，由于音频回路的信号速率比较低，对器件电容的要求不太高，100pF 左右都是可以接受的。有的手机设计中将耳机和麦克风合在一起，有的则是分立线路。前一种情况可以 选择单路 TVS，而后一种情况如果两个回路是邻近的，则可以选用多路 TVS阵列，只用一个器件就能 完成两个回路的保护。 7. 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

10、胜任。 在选择 TVS二极管时，必须注意以下几个参数的选择： 1. 最小击穿电压 VBR和击穿电流 I R 。VBR 是 TVS最小的击穿电压，在 25时，低于这个电压 TVS 是不会发生雪崩的。 当 TVS 流过规定的 1mA 电流(I R )时， 加于 TVS两极的电压为其最小击穿电压 V BR 。 按 TVS的 V BR 与标准值的离散程度， 可把 V BR 分为 5%和 10%两种。 对于 5%的 V BR 来说， V WM =0.85VBR； 对于 10%的 V BR 来说，V WM =0.81VBR。为了满足 IEC61000-4-2 国际标准，TVS二极管必须达到可以 处理最小

11、8kV(接触)和 15kV(空气)的 ESD冲击。 2. 最大反向漏电流 ID和额定反向关断电压 V WM 。V WM 这是二极管在正常状态时可承受的电压，此电 压应大于或等于被保护电路的正常工作电压，否则二极管会不断截止回路电压；但它又需要尽量与被保 护回路的正常工作电压接近，这样才不会在 TVS工作以前使整个回路面对过压威胁。当这个额定反向 关断电压 V WM 加于 TVS的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电 流 ID。 3. 最大箝位电压 V C 和最大峰值脉冲电流 I PP 。当持续时间为 20mS 的脉冲峰值电流 I PP 流过 TVS时， 在其两端出

12、现的最大峰值电压为 V C 。V C 、I PP 反映了 TVS的浪涌抑制能力。V C 与 VBR之比称为箝位 因子，一般在 1.21.4之间。 VC是二极管在截止状态提供的电压，也就是在 ESD冲击状态时通过 TVS 的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则器件面临被损伤的危险。 4. P ppm 额定脉冲功率， 这是基于最大截止电压和此时的峰值脉冲电流。 对于手持设备， 一般来说 500W 的 TVS就足够了。最大峰值脉冲功耗 P M 是 TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大箝位电 压下，功耗 P M 越大，其浪涌电流的承受能力越大。在给定的功耗 P M 下，箝位电压

13、V C 越低，其浪涌电 流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能 承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为 0.01%。如果电路 内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏 TVS。 5. 电容量 C。电容量 C 是由 TVS雪崩结截面决定的，是在特定的 1MHz 频率下测得的。C 的大小与 TVS的电流承受能力成正比，C 太大将使信号衰减。因此，C 是数据接口电路选用 TVS的重要参数。 电容对于数据/信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度，因 此需要根据回路的特性

14、来决定所选器件的电容范围。 PCB设计时的考虑 深圳市道正工贸有限公司 Tel:0755-21009980 深圳市道正工贸有限公司 Tel:0755-21009980深圳市道正工贸有限公司 4 PCB layout对防静电影响重大，所以必须在 layout前就得考虑 ESD防护问题，而不是在板子出来 后才加以修正。加 TVS diode绝对是简单而实用的防 ESD方式，但它还是需要在画线路图时就选好具 体料号或封装，并在 PCB 上留好位置，一旦在测试当中没办法通过时就可以把它加上再测，当然，如果 不加 TVS 也能通过那就更好了。如果没留位置且测试通不过，这是件麻烦事。TVS 应用时需要

15、考虑 layout， 需要考虑泄放路径的最短化， 再好的 TVS如果 layout不好， 它同样没办法起到防 ESD的作用。 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放电电流在电感性布线上感应出很高的电压尖峰，影响 ESD保护的性能。 另外，快速 ESD脉冲可能在电路板上相邻(平行)导线间产生感应电压。如果上述情况发生，由于将 不会得到保护，因为感应电压路径将成为另一条让浪涌到达 IC的路径。因此，被保护的输入线不应该 被放置在其它单独、未受保护的走线旁边。推荐的 ESD抑制器件 PCB布局方案应该是：应尽可能的 滤除所有的 I/O口的干扰信号，靠近连接器/触点 PCB侧。图一是 PCB布局的建议. 走线时，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰；输入输 出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线，以免发生反馈藕合。图二是布线时的优化建议。 对于便携式设备来说，各类集成电路的复杂性和精密度的提高使它们对 ESD也更加敏感，以往的通用 回路设计也不再适合。合理的 PCB布局最重要的是要在使用 TVS二极管保护 ESD损害的同时避免自 感。ESD设计很可能会在回路中引起寄生自感，会对回路有强大的电压冲击，导致超出 IC的承受极限 而造成损坏。负载产生