ESD保护元件的主要特性参数分析及典型应用.doc

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1、ESD保護元件的主要特性參數分析及典型應用ESD保護對高密度、小型化和具有複雜功能的電子設備而言具有重要意義。本文探討了採用TVS二極體防止ESD時，最小擊穿電壓和擊穿電流、最大反向漏電流和額定反向切斷電壓等參數對電路的影響及選擇準則，並針對可攜消費電子設備、視訊轉換盒、以及個人電腦中的視訊線路保護、USB保護和RJ-45介面等介紹了一些典型應用。隨著行動產品、印表機、PC，DVD、視訊轉換盒(STB)等產品的迅速發展，消費者正要求越來越先進的性能。半導體元件日益趨向小型化、高密度和功能複雜化，特別是像時尚消費電子和可攜式產

2、品等對主板面積要求嚴格的應用很容易受到靜電放電的影響。一些採用了深次微米製程和甚精細線寬佈線的複雜半導體功能電路，對電路瞬變過程的影響感應更強烈，而這都將突顯上述問題。ESD保護原理電路保護元件存在幾種技術，當選擇電路保護元件時，若設計師選擇不當的保護元件將只能提供錯誤的安全概念。電路保護元件的選擇應根據所要保護的佈線情況、可用的電路板空間以及被保護電路的電特性來決定。此外，了解保護元件的特性知識也非常必要，需要考慮的重要因素之一是元件的鉗位電壓。所謂鉗位電壓是ESD元件中跨越瞬變電壓消除器(TVS)上的電壓，它是被保護IC

3、的應變電壓。由於利用先進製程技術製造的IC電路內氧化層比較薄，柵極氧化層更易受到損害。這意味著較高的鉗位電壓將在被保護IC元件上產生較高的應變電壓，並且增加了失效的概率。很多保護元件都被設計成可吸收大量能量，由於元件結構或設計上的原因也導致其具有很高的鉗位電壓。同時由於變阻器的鉗位電壓太高，使他們不能提供有效的ESD保護。此外，由於變阻器的高電容器他們也不能為高速數據線路提供保護。TVS二極體正是為解決此問題而產生的，它已成為保護可攜電子設備的關鍵性技術。TVS二極體是專門設計用於吸收ESD能量並且保護系統免遭ESD損害的固

4、態元件。如果應用得當，TVS二極體將限制跨在被保護元件上的電壓剛好高過額定工作電壓，但是卻遠低於破壞閾值電壓。TVS相關參數處理瞬時脈衝對元件損害的最好辦法是將瞬時電流從感應元件引開。TVS二極體在線路板上與被保護線路並聯，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓後，TVS二極體便產生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結果是瞬時電流透過二極體被引開，避開被保護元件，並且在電壓恢復正常值之前使被保護迴路一直保持截止電壓。當瞬時脈衝結束以後，TVS二極體自動回覆高阻狀態，整個迴路進入正常電壓。許多元件在承受多次衝擊後，其參數及性能會

5、產生退化，而只要工作在限定範圍內，二極體將不會產生損壞或退化。從以上過程可以看出，在選擇TVS二極體時，必須注意以下幾個參數的選擇：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，低於這個電壓TVS是不會產生雪崩的。當TVS流過規定的1mA電流(IR)時，加於TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5％和10％兩種。對於5％的VBR來說，VWM=0.85VBR；對於10％的VBR來說，VWM=0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2國際

6、標準，TVS二極體必須達到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD衝擊，部份半導體廠商在自己的產品上使用了更高的抗衝擊標準。對於某些有特殊要求的可攜設備應用，設計者可以依需要挑選元件。2.最大反向漏電流ID和額定反向切斷電壓VWM。VWM是二極體在正常狀態時可承受的電壓，此電壓應大於或等於被保護電路的正常工作電壓，否則二極體會不斷截止迴路電壓；但它又需要盡量與被保護迴路的正常工作電壓接近，這樣才不會在TVS工作以前使整個迴路面對過壓威脅。當這個額定反向切斷電壓VWM加於TVS的兩極間時它處於反向切斷狀態，流過它的

7、電流應小於或等於其最大反向漏電流ID。3.最大鉗位電壓VC和最大峰值脈衝電流IPP。當持續時間為20ms的脈衝峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端出現的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子，一般在1.2~1.4之間。VC是二極體在截止狀態提供的電壓，也就是在ESD衝擊狀態時通過TVS的電壓，它不能大於被保護迴路的可承受極限電壓，否則元件面臨被損傷的危險。4.Pppm額定脈衝功率，這是基於最大截止電壓和此時的峰值脈衝電流。對於手持設備，一般來說500W的TVS就足夠了。最大峰

8、值脈衝功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈衝功耗值。在特定的最大鉗位電壓下，功耗PM越大，其突波電流的承受能力越大。在特定的功耗PM下，鉗位電壓VC越低，其突波電流的承受能力越大。另外，峰值脈衝功耗還與脈衝波形、持續時間和環境溫度有關。而且，TVS所能承受的瞬態脈衝是不重覆的，元件規定的脈衝