ESD保護器件的主要特性參數(shù)分析及典型應(yīng)用

1、ESD保護器件的主要特性參數(shù)分析及典型應(yīng)用ESD保護對高密度、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。木文探討了采用TVS二極管防止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關(guān)斷電壓等參數(shù)對電路的影響及 選擇準(zhǔn)則，并針對便攜消費電子設(shè)備、機頂盒、以及個人電腦中的視頻線路保護、USB保護和RJ-45接口等介 紹了一些典型應(yīng)用。隨著移動產(chǎn)品、打印機、PC, DVD、機頂盒（STB）等產(chǎn)品的迅速發(fā)展，消費者正要求越來越先進的性能。半導(dǎo)體組件H益趨向小型化、高密度和功能復(fù)雜化，特別是像時尚消費電子和便攜式產(chǎn)品等對主板 而積要求嚴(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

2、米工藝和甚精細線寬布線的復(fù)朵半導(dǎo)體功 能電路，對電路瞬變過程的影響更加敏感，將導(dǎo)致上述的問題更加激化。ESD保護原理電路保護元件存在幾種技術(shù)，當(dāng)選擇電路保護元件時，若設(shè)計師選擇不當(dāng)?shù)谋Ｗo器件將只能提供錯誤的安全概 念。電路保護元件的選擇應(yīng)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。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IC的應(yīng)變電壓。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。這意味著較高的箝位電壓將在被保護IC器件上產(chǎn)

3、生較高的應(yīng)變電壓，并且增加了失效的概率。很多保護元件都被設(shè)計成可吸收大量的能量，由于元件結(jié)構(gòu)或設(shè)計上的原因也導(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。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。TVS二極管正是為解決此問題而產(chǎn)生的，它己成為保護便攜電子設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)。TVS二極管是專門設(shè)計用于吸收ESD能量并且保護系統(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器件上的電壓剛好高過額定工作電壓，但是卻遠低于破壞閾值電壓。TVS相關(guān)參數(shù)處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法是將瞬時電流從敏感器件引開。TVS二極管在線路

4、板上與被保護線路并聯(lián)，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，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，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二極管自動回復(fù)高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓。許多器件在承受多次沖擊后，其參數(shù)及性能會發(fā)生退化，而只要工作在限 定范圍內(nèi)，二極管將不會發(fā)生損壞或退化。從以上過程可以看岀，在選擇TVS二極管時，必須注意以下幾個參數(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 C時，低于這個電壓TVS是不會發(fā)生雪崩的。當(dāng) TVS流過規(guī)

5、定的1mA電流（IR）時，加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBRo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。對于5% 的 VBR 來說，VWM=0. 85VBR ;對于 10% 的 VBR 來說，VWM二0. 81VBR。為了滿足 IEC610 00-4-2 國際標(biāo) 準(zhǔn)，TVS二極管必須達到可以處理最小8kV（接觸丿和15kV（空氣丿的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)。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。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)時可承受的電壓，此電壓應(yīng)大

6、于或等于被保護電路的正常工作電壓，否則二極管會不斷截止回路電壓；但它又需要盡量與被 保護回路的正常工作電壓接近，這樣才不會在TVST作以前使整個回路面對過壓威脅。當(dāng)這個額定反向關(guān)斷電壓VWM加于TVS的兩極間時它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過它的電流應(yīng)小于或等于其最大 反向漏電流ID o3. 最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPPo當(dāng)持續(xù)時間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過TVS時，在其兩端岀現(xiàn)的最大峰值電壓為 VC。VC、IPP反映了 TVS的浪涌抑制能力。必與VBR之比稱為箝位因子，一般在1.21.4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)時通過TVS的電壓，它不能大于

7、被保護回路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損傷的危險。4. Pppm額定脈沖功率，這是基于最大截止電壓和此時的峰值脈沖電流。對于手持設(shè)備，一般來說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越器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率（持低，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)。而且，TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞續(xù)時間與間歇時間之比）為0. 01%。如果電路內(nèi)岀現(xiàn)重復(fù)性脈沖,TVSo1MHz頻率下

8、測得的。C的大C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的5. 電容量C。電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的，是在特定的小與TVS的電流承受能力成正比， C太大將使信號衰減。因此，重要參數(shù)。電容對于數(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，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?。ㄈ鏛CTVS、低電容TVS,電容不大于3pF）,而對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)計廣泛應(yīng)用在移動消費類產(chǎn)品上，目前市場上應(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。由于

9、是直流回路，可選用高電容器件。此端口可能會受到高能量的沖擊，可以選用集成了TVS和過流保護功能的器件。如圖1所示，是便攜產(chǎn)品的底部連接器保護電路的示意圖，其中的數(shù)據(jù)線保護IC 為 NZQA5V6XV5T1 、 NZQA6V2XV5T1 、 NZQA6V8XV5T1 、 NZQA8V2XV5T1 、 NZQ A5V6AXV5T1 、 NZQA6V8AXV5T1、MSQA6V1W5T2、SMF05T1 和 NSQA6V8AW5T2。以上產(chǎn)品都帶 4 個單相獨立線路 ESD 保護，其中MSQA系列、NSQA系列和SMF05的封裝形式是SC8 8A, NZQA系列的封裝形式是SOT-553。其 中NZ

10、QA5V6XV5是5. 6V單向式TVS保護器件；NZ QA6V2XV5是6. 2V單向式TVS保護器件；NZQA6V8XV5是6. 8V單向式TVS保護器件；NZQA 6V8AXV5是6. 8V單向式、低電容TVS保護器件；NUP4102XV6是14V雙向 式、低電容TVS。這些S0T5XX封裝的TVS器件均針對260 C回焊溫度處理工藝生產(chǎn)，符合 100%無鉛和靜 電放電保護的要求，比傳統(tǒng)的SC88封裝減少電路板空間達36% ,降低厚度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。2RJ-45 （10/100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)）RJ-45接口廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)連

11、接的接口設(shè)備上，典型的應(yīng)用就是10/100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，RJ-45數(shù)據(jù)線保護主要應(yīng)用了安森美公司的低電容瞬態(tài)電壓抑制二極管一SL05,工作電壓是5V。實際上該公司有一系列的SLXX產(chǎn)品，產(chǎn)品從SL05到SL24,工作電壓覆蓋5V、12V、15V、24Vo 符合 IEC 61000-4-2 （ESD） 15kV （空氣）8kV （接觸）/IEC 61000-4-4 （EFT） 40A （5/50ns） /IEC 61000-4-5 （Lightning） 12A （8/20us） 標(biāo)準(zhǔn)，除了用在 LAN/WAN 設(shè)備上，還適合用 于高速數(shù)據(jù)線保護，移動電話和USB端口的保護。3. 視

12、頻線路的保護目前視頻常見的輸岀端口設(shè)計有D-SUB （如圖3）、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480Mbps ,有的視頻數(shù)據(jù)傳輸率達到1G以上，因而要選擇低電容LCTVS,它通常是將一個低電容二極管與TVS二極 管串聯(lián)，以降低整個線路的電容（可低于3pF）,達到高速率回路的要求。0NSEMI半導(dǎo)體公司的SRDA05-4具有良好的低電容特性，能夠提供4路ESD保護，而它的后繼產(chǎn)品SRDA05-6能夠 提供多達6路ESD保護。SRDA05-X系列產(chǎn)品適用于所有高速通訊線路的保護。4. SIM卡數(shù)據(jù)線

13、路保護SIM卡數(shù)據(jù)線路保護一直是各個公司的產(chǎn)品重點，而且專門為此類端口設(shè)計的集ESD （TVS） /EMI/RFI防護于一個芯片的器件，充分體現(xiàn)了片式器件的無限集成方案。在針對不同用途選擇器件時，要避免使器 件工作在其設(shè)計參數(shù)極限附近，還應(yīng)根據(jù)被保護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，這對于有效發(fā)揮保護器件的作用十分關(guān)鍵，另外集成了其它功能的器件也應(yīng)當(dāng)首先考 慮。眾多半導(dǎo)體廠商提供了多種不同的TVS二極管封裝形式，尤其是像S0T23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，卻可以同時保護多個線路。最近的許

14、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保護集成在一個器件中，不但可以有效縮小空間，還大大減少了成本，降低了器件采購成本和加工成木，對于同時需 要這幾種保護功能的端口來說，可謂設(shè)計者的首選（圖4）。5. USB保護一般USB的ESD保護分上行（圖5）和下行（圖6）兩種情況。針對USB 1.1的ESD保護下行主要采用了 NUF2101,上行ESD保護采用STF202或者NUF2221W仃2。這些產(chǎn)品即能滿足USB線路終端的ESD保護，還 具有良好的濾波功能。6. 音頻/揚聲器數(shù)據(jù)線路保護在音頻數(shù)據(jù)線路保護方而（圖6），由于音頻回路的信號速率比較低，對器件電容的要求不

15、太高，lOOpF 左右都是可以接受的。有的手機設(shè)計中將耳機和麥克風(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回路是鄰近的，則可以選用多路TVS陣列，只用一個器件就能完成兩個回路的保護。7. 按鍵/開關(guān)對于按鍵和開關(guān)回路，這些回路的數(shù)據(jù)率很低，對器件的電容沒有特殊要求，用普通的TVS 陣列都可以勝任。本文總結(jié)以上的產(chǎn)品主要是針對數(shù)據(jù)線路的ESD保護。在表1中所列器件中有四款是專為為USB、以太網(wǎng)、防火墻和其他高速數(shù)據(jù)應(yīng)用設(shè)計的濾波器。這些器件符合USB的所有要求，包扌舌電磁干擾濾波和上行/下行端口的線路終端。這些新型集成元件均能替代目前需采用12個元件的分立

16、元件解決方案。八款新型器件提供靜電放電（ESD）保護，具有業(yè)界最低電容。這些新型保護器件均通過了 15 千伏接觸放電測試，測試標(biāo)準(zhǔn)高于IEC61000的8千伏ESD標(biāo)準(zhǔn)。這些器件具有1.5皮法電容典型值，確保了數(shù)據(jù)線速度以及數(shù)據(jù)完整性。此外，對于便攜式設(shè)備來說，各類集成電路的復(fù)雜性和精密度的提高使它們對ESD也更加敏感,以往的通用回路設(shè)計也不再適合。合理的PCB布局最重要的是要在使用TVS二極管保護ESD損害的同時避免自感。ESD設(shè)計很可能會在回路中引起寄生自感，會對回路有強大的電壓沖擊,導(dǎo)致超岀IC的承受極限而造成損壞。負載產(chǎn)生的自感電壓與電源變化強度成正比，ESD沖擊的瞬變特征易于誘發(fā)高強

17、自感。減小寄生自感的基木原則是盡可能縮短分流回路，必須考慮到包括接地回路、TVS和被保護線路之間的回路，以及由接口到TVS的通路等所有因素。所以，TVS器件應(yīng)與接口盡量接近，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。在電路板設(shè)計中還應(yīng)注意以下幾點：盡量避免在保護線路附近走比較關(guān)鍵的信號線，盡量將接口安排在同一個 邊上；采用高集成度器件，二極管陣列不但可以大大節(jié)約線路板上的空間，而且減少了由于回路復(fù)雜可能誘發(fā) 的寄生性線路自感的影響；避免被保護回路和未實施保護的回路并聯(lián)，將接口信號線路和接地線路直接接到保 護器件上，然后再進入回路的其它部分，將復(fù)位、中斷、控制信號遠離輸入

18、/輸岀口，遠離PCB的邊緣；各類 信號線及其饋線所形成的回路所環(huán)繞面積要盡量小，必要時可考慮改變信號線或接地線的位置；在可能的地方 都加入接地點ESD應(yīng)用 1底部連接器的應(yīng)用底部連接器設(shè)計廣泛應(yīng)用在移動消費類產(chǎn)品上，目前市場上應(yīng)用產(chǎn)品主要為移動電話、PDA、DS C （數(shù)碼相機） 以及MP3等便攜產(chǎn)品。由于是直流回路，可選用高電容器件。此端口可能會受到高能量的沖擊，可以選用集成了 TVS和過流保護功能的器件。如圖1所示，是便攜產(chǎn)品的底部連接器保護電路的示意圖，其中的數(shù)據(jù)線保護IC為 NZQA5V6XV5TK NZQA6V2XV5T1、NZQA6V8XV5TK NZQA8V2XV5TK NZQA

19、5V6AX V5T1、NZQA6V8AXV5TK MSQA6V1W5T2、SMF05T1和NSQA6V8AW5T2。以上產(chǎn)品都帶4個單 相獨立線路ESD保護，其中MSQA系列、 NSQA系列和SMF05的封裝形式是SC-88A, NZQA系 列的封裝形式是SOT-553。其中NZQA5V6XV5是5. 6V單 向式TVS保護器件;NZQA6V2XV5是6. 2 V單向式TVS保護器件；NZQA6V8XV5是6. 8V單向式TVS保護器件; NZQA6V8AXV5是6. 8V單 向式、低電 容TVS保護器件；NUP4102XV6是14V雙向式、低電 容TVS。這些 S0T5xx封裝的TVS器件均

20、針對260 C回焊溫度處理工藝生產(chǎn)，符合100%無鉛和靜電放電保護的要求，比傳統(tǒng) 的SC88封裝減少電路板空間達36%,降低厚度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。2RJ-45 （10/100M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10/100M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示，RJ-45數(shù)據(jù)線保護主要應(yīng)用了安森美公司的低電容瞬態(tài)電壓抑制二極管一SL05,工作電壓是 5Vo實際上該公司有一系列的SLXX產(chǎn)品，產(chǎn)品從SL05到SL24,工作電壓覆蓋5V、12 V、15V、24V。符合 IEC 61000-4-2 （ESD）

21、 15kV （空氣）8kV （接觸）/IEC 61000-4-4 （EFT） 40A （5/50ns） / IEC 61000- 4-5 （Lightning） 12A （8/20us）標(biāo)準(zhǔn)，除了用在LAN/WAN設(shè)備上，還適合用于高速數(shù)據(jù)線保護，移動電話和USB端口的保護。3. 視頻線路的保護目前視頻常見的輸岀端口設(shè)計有D-SUB （如圖3）、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480Mbps,有的視頻數(shù)據(jù)傳輸率達到1G以 上，因而要選擇低電容LCTVS,它通常是將一個低 電容二極管與TVS二極

22、管串聯(lián)，以降低整個線路的電容 （可低于3pF）,達到高速率回路的要求。0NSEMI半導(dǎo)體公司的SRDA05-4具辛己玫牡 偷WSffi裕 菟惶節(jié)？路ESD保護，而它的后繼產(chǎn)品SRDA05-6能夠提供多達6路ESD保護。 SRDA05-X系列產(chǎn)品適用于所有高速通訊線路的保護。4. SIM卡數(shù)據(jù)線路保護SIM卡數(shù)據(jù)線路保護一直是各個公司的產(chǎn)品重點，而且專門為此類端口設(shè)計的集ESD （TVS） /EMI/ RFI防護 于一個芯片的器件，充分體現(xiàn)了片式器件的無限集成方案。在針對不同用途選擇器件時，要避免使器件工作在其設(shè)計參數(shù)極限附近，還應(yīng)根據(jù)被保護回路的特征及可 能承受ESD沖擊的特征選用反應(yīng)速度足夠

23、快、敏感度足夠高的器件，這對于有效發(fā)揮保護器件的作用十 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。眾多半導(dǎo)體廠商提供了多種不同的TVS二極管封裝形式，尤其是像S0T23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4.8mm 的位置，卻可以同時保護多個線路。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保護集成在一個器件中，不但可以有效縮小空 間，還大大減少了成本，降低了器件采購成本和加工成本，對于同時需要這幾種保護功能的端口來說，可 謂設(shè)計者的首選（圖4）。5. USB保護一般USB的ESD保護分上行（圖5）和下行（圖6）兩種

24、情況。針對USB 1. 1的ESD保護下行主要采用了 NUF2101,上行ESD保護采用STF202或者NUF2221W仃2。這些產(chǎn)品即能滿足USB線 路終端的ESD保護，還 具有良好的濾波功能。6. 音頻/揚聲器數(shù)據(jù)線路保護在音頻數(shù)據(jù)線路保護方而（圖6）,由于音頻回路的信號速率比較低，對器件電容的要求不太高，1 OOpF左 右都是可以接受的。有的手機設(shè)計中將耳機和麥克風(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回路是 鄰近的，則可以選用多路TVS陣列，只用一個器件就能完成兩個回 路的保護。7. 按鍵/開關(guān)對于按鍵和開關(guān)回路，這些回路的數(shù)據(jù)率很低，對器件的電容沒有特殊要求，用普通的 TVS陣列都可以勝任。本文總結(jié)以上的產(chǎn)品主要是