TVS二极体在可携式设备ESD保护中的应用.doc

可攜式設備的ESD保護十分重要，而TVS二極體是一種十分有效的保護元件，與其它元件相較有其獨特的優勢，但在應用時應當針對不同的保護對象來選用元件，因為不同的連接埠可能受到的靜電衝擊有所不同，不同元件要求的保護程度也有不同。要注意相應的參數鑒別以及各個生產商的不同設計，同時還要進行合理的PCB佈局。本文介紹在可攜式設備的ESD保護中如何應用TVS二極體元件。
可攜式設備如筆記型電腦、手機、PDA、MP3播放器等，由於頻繁與人體接觸極易受到靜電放電(ESD)的衝擊，如果沒有選擇合適的保護元件，可能會造成機器性能不穩定，或者損壞。更壞的情況是查不出確切的原因，使用戶誤認為是產品品質問題而損壞企業信譽。
一般情況下，對此類設備暴露在外面可能與人體接觸的連接埠都要求進行防靜電保護，如鍵盤、電源介面、數據埠、I/O埠等等。現在比較通用的ESD標準是IEC61000-4-2，應用人體靜電模式，測試電壓的範圍為2kV～15kV(空氣放電)，峰值電流最高為20A/ns，整個脈衝持續時間不超過60ns。在這樣的脈衝下所產生的能量總共不超過幾百個微焦耳，但卻足以損壞感應零組件。
可攜式設備所採用的IC元件大多是高整合度、小體積產品，精密的加工製程使矽晶氧化層非常薄，因而更易擊穿，有的在20V左右就會受到損傷。傳統的保護方法已不再普遍適用，有的甚至還會造成對設備性能的干擾。
TVS二極體的特點
適用於可攜式設備的ESD保護元件有很多，例如設計人員可用分離元件搭建保護迴路，但由於可攜設備對於空間的限定以及避免迴路自感，這種方法已逐漸被更加整合化的元件所替代。多層金屬氧化物元件、陶瓷電容器還有二極體都可以有效地進行防護，它們的特性及表現各有不同，TVS二極體在此類應用中的獨特表現為其贏得了越來越大的市場。
TVS二極體最顯著的特點一是反應迅速，使瞬時脈衝在沒有對線路或元件造成損傷之前就被有效地遏制，二是截止電壓比較低，更適用於電池供電的低電壓迴路環境。另外對TVS二極體設計改進使其具有更低的漏電流和結電容器，因而在處理高速率傳導迴路的靜電衝擊時有更理想的性能表現(圖1)。
TVS二極體的優勢
TVS與齊納二極體：與傳統的齊納二極體相較，TVS二極體P/N結面積更大，這一結構上的改進使TVS具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對於保護手持設備低工作電壓迴路的安全具有更好效果。
TVS與陶瓷電容器：很多設計人員願意採用表面安裝的陶瓷電容器作ESD保護，不但便宜而且設計簡便，但這類元件對高壓的承受力卻比較弱。5kV的衝擊會造成約10%陶瓷電容器失效，到10kV時，損壞率達到60%，而TVS可以承受15kV電壓。在手持設備的使用過程中，由於與人體頻繁接觸，各個埠必須至少能夠承受8kV接觸衝擊(IEC61000-4-2標準)，可見使用TVS可以有效保証最終產品的合格率。
TVS與MLV：多層金屬氧化物結構元件(MLV)也可以進行有效的瞬時高壓衝擊抑制，此類元件具有非線性電壓－電流(阻抗表現)關係，截止電壓可達最初中止電壓的2～3倍，這種特性適合用於對電壓不太感應的線路和元件的保護，如電源迴路。而TVS二極體具有更好的電壓截止因子(圖2)，同時還具有較低的電容器，這一點對於手持設備的高頻埠非常重要，因為過高的電容器會影響數據傳輸，造成失真或是降級。TVS二極體的各種表面封裝均適合管線裝配的要求，而且晶片結構便於整合其它的功能，如EMI和RFI過濾保護等，可有效降低元件成本，最佳化整體設計。
另一個不能忽略的特點是二極體可以很方便地與其它元件整合在一個晶片上，現有很多將EMI過濾和RFI防護等功能與TVS整合在一起的元件，不但減少設計所採用的元件數目降低成本，而且也避免PCB板上佈線時易誘發的伴生自感。
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二極體在線路板上是與被保護線路並聯的，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，並且在電壓回覆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，其參數及性能會產生降級變化，而只要工作在限定範圍內，二極體是不會產生損壞或降級的。
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(圖3)：
1．為了滿足IEC61000-4-2國際標準，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，有的半導體生產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，設計者可以按需要挑選元件。
2．Vwm這是二極體在正常狀態時可承受的電壓，此電壓應大於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。
3．Vc這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。
5．電容器對於數據/訊號頻率越高的迴路，二極體的電容器對電路的干擾越大，形成噪音或衰減訊號強度，因此需要根據迴路的特性來決定所選元件的電容器範圍。高頻迴路一般選擇電容器應盡量小(如LCTVS、低電容器TVS，電容器不大於3pF)，而對電容器要求不高的迴路電容器選擇可高於40pF。
下面分別介紹幾種常見手持設備ESD保護對TVS的要求：
音訊輸入/輸出：音訊迴路的訊號速率比較低，對元件電容器的要求不太高，100pF左右都是可以接受的。有的設計中將耳機和麥克風合在一起，有的則是分離線路，前一種情況可以選擇單路TVS，而後一種情況如果兩個迴路是鄰近的，則可以選用多工TVS陣列，只用一個元件就能完成兩個迴路的保護。
按鍵/開關：這些迴路的數據率很低，對元件的電容器沒有特殊要求，用普通的TVS陣列都可以勝任。

數據視訊/USB2.0：數據率高達480Mbps，有的視訊數據率達到1G以上，因而要選擇低電容器LCTVS，它通常是將一個低電容器二極體與TVS二極體串聯，以降低整個線路的電容器(可低於3pF)，達到高速率迴路的要求。

SIM卡/天線：有專門為此類埠設計集ESD(TVS)/EMI/RFI防護於一個晶片的元件，充分體現了片式元件的無限整合方案。

電源/充電埠：由於是直流迴路，可選用高電容器元件。此埠可能會受到高能量的衝擊，可以選用整合了TVS和過流保護功能的元件。
在針對不同用途選擇元件時，要避免使元件工作在其設計參數極限附近，還應根據被保護迴路的特徵及可能承受ESD衝擊的特徵選用反應速度足夠快、感應度足夠高的元件，這對於有效發揮保護元件的作用十分關鍵，另外整合了其它功能的元件也應當首先考慮。
眾多半導體廠商提供了多種不同的TVS二極體封裝形式，尤其是像SOT23和SC-70，以及與晶片同等大小的覆晶晶片之類的微型封裝，在板上只佔約4.8mm2的位置，卻可以同時保護多個線路。最近的許多新產品更是適應可攜設備高整合度、小型化要求，將EMI/RFI/ESD保護整合在一個元件中，不但可以有效縮小空間，還大幅減少了成本，降低了元件採購成本和加工成本，對於同時需要這幾種保護功能的埠來說，可謂設計者的首選。
PCB佈局配合
對於可攜式設備來說，各類積體電路的複雜性和精密度的提高使它們對ESD也更加感應，以往的通用迴路設計也不再適合。在使用TVS二極體保護ESD損害的同時，必須配合合理的PCB佈局。
首先是要避免自感對於ESD這樣巨變突發的脈衝，很可能會在迴路中引起寄生自感，進而對迴路形成強大的電壓衝擊，並可能超出IC的承受極限而造成損傷。負載產生的自感電壓與電源變化強度成正比，ESD衝擊的瞬變特徵易於誘發高強自感。減少寄生自感的基本原則是盡可能縮短分流迴路，必須考慮到包括接地迴路、TVS和被保護線路之間的迴路以及由介面到TVS的通路等所有因素。所以TVS元件應與介面盡量接近，與被保護線路盡量接近，這樣才會減少自感耦合到其它鄰近線路上的機會。
另外可應用下述原則對線路進行最佳化：

1．避免在保護線路附近走比較關鍵的訊號線；

2．盡量將介面安排在同一個邊上；

3．避免被保護迴路和未實施保護的迴路並聯；

4．各類訊號線及其饋線所形成的迴路所環繞面積要盡量小，必要時可考慮改變訊號線或接地線的位置；

5．將介面訊號線路和接地線路直接接到保護元件上，然後再進入迴路的其它部份；

6．將復位、中斷、控制訊號遠離輸入/輸出埠，遠離PCB的邊緣；

7．在可能的地方都加入接地點；8．採用高整合度元件，二極體陣列不但可以大幅節約線路板上的空間，而且減少了由於迴路複雜可能誘發的寄生性線路自感的影響。
本文結論
使用TVS二極體對可攜設備實施ESD保護是一種方便、有效和可靠性高的途徑，根據具體用途合理選擇參數和整合度是成功應用的關鍵，另外最佳化的PCB設計也是必不可少的。