幾種ESD器件的特性及選型原則

1、ESD器件ESD器件概述ESD保護(hù)元件的作用是轉(zhuǎn)移來自敏感元件的ESD應(yīng)力，使電流流過保護(hù)元件而非敏感元件，同時(shí)維持敏感元件上的低電壓；ESD保護(hù)元件還應(yīng)具有低泄漏和低電容特性，不會(huì)降低電路功能；不會(huì)對(duì)高速信號(hào)造成損害，在多重應(yīng)力作用下保護(hù)元件的功能不會(huì)下降。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)、壓敏電阻和聚合物是近幾年發(fā)展起來的幾種專用ESD保護(hù)元件。其中前兩種元件均采用電壓鉗位的方式進(jìn)行保護(hù)，采用帶導(dǎo)電粒子的聚合物則是采用消弧(crowbar)保護(hù)策略。壓敏電阻和聚合物支持雙向保護(hù)，但TVS可支持單向或雙向保護(hù)。傳統(tǒng)的壓敏電阻雖然在成本上具有一定優(yōu)勢(shì)，但它存在的一個(gè)最大問題是體積太大，無法滿足手持設(shè)備

2、的封裝要求。事實(shí)上，與壓敏電阻相比，基于硅材料的TVS和聚合物材料ESD具有更好的鉗制性能、更低的泄漏和更長(zhǎng)的使用壽命。   高分子聚合物和TVS在多重應(yīng)力下仍然可保持強(qiáng)大的性能，而壓敏電阻則會(huì)隨著使用次數(shù)的增多性能下降。TVS技術(shù)利用的是半導(dǎo)體的鉗位原理，在經(jīng)受瞬時(shí)高壓時(shí)，會(huì)立即將能量釋放出去，而壓敏電阻采用的是物理吸收原理，因此每經(jīng)過一次ESD事件，材料就會(huì)受到一定的物理?yè)p傷，形成無法恢復(fù)的漏電通道?！癟VS技術(shù)的原理就好像傳統(tǒng)的打太極，可以輕松釋放掉能量而不是直接與之對(duì)抗”。這樣做的好處是器件不會(huì)受到損害，基本上沒有壽命限制。從現(xiàn)場(chǎng)展示的TVS與壓敏電阻的鉗制電壓曲線

3、來看，TVS器件可以在極短時(shí)間內(nèi)將輸入的大電壓鉗制到5至6伏的水平，而壓敏電阻的曲線則下降得非常緩慢，并且無法達(dá)到TVS器件的效果。這表明TVS器件在響應(yīng)時(shí)間和鉗制性能方面均優(yōu)于壓敏電阻。幾種ESD器件的比較1、普通二極管，只能起到箝制電壓的作用，不能響應(yīng)高達(dá)幾百兆頻率的ESD脈沖。2、壓敏電阻/熱敏電阻/PTC，壓敏電阻抗一次ESD脈沖后特性就會(huì)改變，而ESD保護(hù)器件抗幾萬(wàn)次也不會(huì)改變特性。3、壓敏電阻能承受更大的浪涌電流，而且其體積越大所能承受的浪涌電流越大，最大可達(dá)幾十kA到上百kA；但壓敏電阻的非線性特性較差，大電流時(shí)限制電壓較高，低電壓時(shí)漏電流較大。4、TVS管的非線性特性和穩(wěn)壓管一

4、樣，擊穿前漏電流很小，擊穿后是標(biāo)準(zhǔn)的穩(wěn)壓特性，比起壓敏電阻來TVS管最大箝位電壓偏離擊穿電壓較小，優(yōu)于壓敏電阻，但通流能力比壓敏電阻較小。5、從反應(yīng)速度來看，TVS管的反應(yīng)速度很快，為ps級(jí)，而壓敏電阻反應(yīng)速度較慢，為ns級(jí)。另外，兩者的電容都較大（TVS管也有低電容產(chǎn)品）。 6、TVS管的可靠性高，不易劣化，使用壽命長(zhǎng)。而壓敏電阻的可靠性較差，易老化，使用壽命較短ESDTVS抗擊能量小大抗擊電壓>10KV 更高>4KV響應(yīng)時(shí)間極快稍慢抑制脈沖極高速中高速對(duì)線路的容性影響極低一般對(duì)高速通信的影響極低高線路中可使用數(shù)量多個(gè)少量應(yīng)用場(chǎng)合抑制靜電放電（ESD）脈沖用于防雷擊或開關(guān)電時(shí)產(chǎn)生

5、的浪涌瞬態(tài)抑制二極管概述：瞬態(tài)抑制二極管簡(jiǎn)稱TVS (Transient Voltage Suppressor )，TVS的電氣特性由P-N結(jié)面積，參雜濃度及晶片阻質(zhì)決定的。其耐突波電流的能力與其P-N結(jié)面積成正比。特點(diǎn)：反映速度快(為pS級(jí))，體積小，箝位電壓低，可靠性高。10/1000s波脈沖功率從400W30000W，脈沖峰值電流從幾安幾百安。常用的TVS管的擊穿電壓有從5V到550V的系列值。且可靠性高，在TVS管規(guī)范之工作范圍內(nèi)，性能可靠，不易劣化，使用壽命長(zhǎng)。TVS的選型最大箝位電壓VC要小于電路允許的最大安全電壓。截止電壓VRWM大于電路的最大工作電壓，一般可以選擇VRWM等或者

6、略大于電路的最大工作電壓。額定的最大脈沖功率（TVS參數(shù)中給出） PM要大于最大瞬態(tài)浪涌功率。TVS的特性TVS使用指南1、TVS管使用時(shí)一般并聯(lián)在被保護(hù)電路上。為了限制流過TVS管的電流不超過管子允許通過的峰值電流IPP，應(yīng)在線路串聯(lián)加限流元件，如電阻、自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、電感等。2、擊穿電壓VBR的選擇：TVS管的擊穿電壓應(yīng)根據(jù)線路最高工作電壓US按公式：VBRmin1.2US 或 VRWM 1.1US 選擇。3、脈沖峰值電流IPP的選擇：當(dāng)TVS管單獨(dú)使用時(shí)，要根據(jù)線路上可能出現(xiàn)的最大浪涌電流來選擇合適的型號(hào)。當(dāng)TVS管在放電管后作為第二級(jí)保護(hù)時(shí)，一般用500W600W的就可以了。4、用于信號(hào)

7、傳輸電路保護(hù)時(shí)，一定要注意所傳輸信號(hào)的頻率或傳輸速率。當(dāng)信號(hào)頻率或傳輸速率較高時(shí),應(yīng)選用低電容系列的管子：信號(hào)頻率（傳輸速率）10MHz（Mb/s），Cj60pF； 信號(hào)頻率（傳輸速率）100 MHz（Mb/s），Cj20pF。當(dāng)?shù)碗娙菹盗腥詽M足不了要求時(shí)，就應(yīng)把TVS管串聯(lián)到高速二極管組成的橋路中。MOV壓敏電阻 壓敏電阻的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí)，比空氣放電管快，比TVS管稍慢一些，一般情況下用于電子電路的過電壓保護(hù)其響應(yīng)速度可以滿足要求。壓敏電阻的結(jié)電容一般在幾百到幾千Pf的數(shù)量級(jí)范圍，很多情況下不宜直接應(yīng)用在高頻信號(hào)線路的保護(hù)中，應(yīng)用在交流電路的保護(hù)中時(shí)，因?yàn)槠浣Y(jié)電容較大會(huì)增加漏電流，在設(shè)計(jì)防

8、護(hù)電路時(shí)需要充分考慮。壓敏電阻的通流容量較大，但比氣體放電管小。壓敏電阻有什么用？壓敏電阻的最大特點(diǎn)是當(dāng)加在它上面的電壓低于它的閾值"UN"時(shí)，流過它的電流極小，相當(dāng)于一只關(guān)死的閥門，當(dāng)電壓超過UN時(shí)，它的阻值變小，這樣就使得流過它的電流激增而對(duì)其他電路的影響變化不大從而減小過電壓對(duì)后續(xù)敏感電路的影響。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護(hù)電路免受過電壓的損害。 分類浪涌抑制型：是指用于抑制雷電過電壓和操作過電壓等瞬態(tài)過電壓的壓敏電阻器，這種瞬態(tài)過電壓的出現(xiàn)是隨機(jī)的，非周期的，電流電壓的峰值可能很大。絕大多數(shù)壓敏電阻器都屬于這一類。 高功率型：是指用于吸收周

9、期出現(xiàn)的連續(xù)脈沖群的壓敏電阻器，例如并接在開關(guān)電源變換器上的壓敏電阻，這里沖擊電壓周期出現(xiàn)，且周期可知，能量值一般可以計(jì)算出來，電壓的峰值并不大，但因出現(xiàn)頻率高，其平均功率相當(dāng)大。 高能型：指用于吸收發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈，起重電磁鐵線圈等大型電感線圈中的磁能的壓敏電壓器，對(duì)這類應(yīng)用，主要技術(shù)指標(biāo)是能量吸收能力。4. 壓敏電阻的基本參數(shù)1 標(biāo)稱壓敏電壓(V)：指通過規(guī)定持續(xù)時(shí)間的脈沖電流（一般為1mA 持續(xù)時(shí)間一般小于400mS）時(shí)壓敏電阻器兩端的電壓值。 (一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp為電路額定電壓的峰值。VAC為額定交流電壓的有效值)2電壓比：指壓敏電阻器的電流為1mA時(shí)產(chǎn)生

10、的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA時(shí)產(chǎn)生的電壓值之比。 3 最大限制電壓(V)：在壓敏能承受的最大脈沖峰值電流Ip及規(guī)定波形下壓敏電阻兩端電壓峰值。4 殘壓比：通過壓敏電阻器的電流為某一值時(shí)，在它兩端所產(chǎn)生的電壓稱為這一電流值的殘壓。殘壓比則是殘壓與標(biāo)稱電壓之比。 5 通流容量(kA)：通流容量也稱通流量，是指在規(guī)定的條件（規(guī)定的時(shí)間間隔和次數(shù)，施加標(biāo)準(zhǔn)的沖擊電流）下，允許通過壓敏電阻器上的最大脈沖（峰值）電流值。 6 漏電流(mA)：漏電流也稱等待電流，是指壓敏電阻器在規(guī)定的溫度和最大直流電壓下，流過壓敏電阻器電流。 7 電壓溫度系數(shù)：指在規(guī)定的溫度范圍（溫度為2070）內(nèi)，壓敏電阻器標(biāo)

11、稱電壓的變化率，即在通過壓敏電阻器的電流保持恒定時(shí)，溫度改變1時(shí)，壓敏電阻器兩端電壓的相對(duì)變化。 8 電流溫度系數(shù)：指在壓敏電阻器的兩端電壓保持恒定時(shí)，溫度改變1時(shí)，流過壓敏電阻器電流的相對(duì)變化。 9 電壓非線性系數(shù)：指壓敏電阻器在給定的外加電壓作用下，其靜態(tài)電阻值與動(dòng)態(tài)電阻值之比。 10 絕緣電阻：指壓敏電阻器的引出線（引腳）與電阻體絕緣表面之間的電阻值。 11 靜態(tài)電容量（PF）：指壓敏電阻器本身固有的電容容量。 12 .額定功率：在特定的環(huán)境溫度85下工作1000小時(shí)，使壓敏電壓變化小于10%的最大功率。 13 .最大沖擊電流(8/20us):以特定的脈沖電流(8/20us波形)沖擊壓敏

12、電阻器一次或兩次（每次間隔5分鐘）， 使的壓敏電壓變化仍在10%以內(nèi)的最大沖擊電流。ESDESD保護(hù)器件具有如下優(yōu)秀特性。l 非常低的箝位電壓；l 非常出色的ESD防護(hù)能力，高達(dá)30KV；l 完全符合IEC61000-4-2，Level 4標(biāo)準(zhǔn)和HBM MIL-Std 883，class 3認(rèn)證；l 非常低的結(jié)電容，低至1pF；l 超低的漏電流，遠(yuǎn)小于1A；l 快速的響應(yīng)時(shí)間，遠(yuǎn)小于1ns；l 無鉛超小封裝。表Error! No text of specified style in document.1 ESD器件關(guān)鍵參數(shù)表符號(hào)中文名稱解釋VC箝位電壓脈沖電壓通過ESD器件后，所達(dá)到的電壓值V

13、RWM反向關(guān)斷電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)線路的操作電壓IRVRWM反向漏電流應(yīng)小于電路允許的最大漏電流PPP峰值脈沖功率保護(hù)器件能吸收瞬時(shí)脈沖的能量，典型值取自300W 8/20s脈沖CD結(jié)電容是保護(hù)器件的寄生電容，數(shù)據(jù)率或操作頻率越高的線路上使用的ESD保護(hù)器件的結(jié)電容要越低，否則將破壞數(shù)據(jù)信號(hào)。VC箝位電壓VC箝位電壓指脈沖電壓通過ESD保護(hù)器件后，所被箝位的電壓。如12V的脈沖信號(hào)，經(jīng)過PESD5V0L2BT箝位后，電壓降為5V。ESD保護(hù)器件具有如下優(yōu)秀特性。l 非常低的箝位電壓；l 非常出色的ESD防護(hù)能力，高達(dá)30KV；l 完全符合IEC61000-4-2，Level 4標(biāo)準(zhǔn)和HBM

14、MIL-Std 883，class 3認(rèn)證；l 非常低的結(jié)電容，低至1pF；l 超低的漏電流，遠(yuǎn)小于1A；l 快速的響應(yīng)時(shí)間，遠(yuǎn)小于1ns；l 無鉛超小封裝。VRWM 反向關(guān)斷電壓ESD保護(hù)器件的反向關(guān)斷電壓應(yīng)大于被保護(hù)線路工作電壓，如下圖所示。PPP 峰值脈沖功率PPP峰值脈沖功率為ESD器件上瞬間通過的功率值，如300W8/20us，在此功率范圍內(nèi)，ESD保護(hù)器件能夠正常工作。NXP ESD保護(hù)器件的分類及原理 基于齊納二極管（Zener Basic）的PESD系列； 軌到軌（RTRZener混合）的PRTR系列，此系列不是上圖的“Rail-to-Rail系列”； 混合了EMI濾波器，緩沖

15、器，電平轉(zhuǎn)換等功能的IP系列。PESD系列PESD系列是基于齊納二極管的ESD保護(hù)器件，反向起作用。ESD脈沖反向通過時(shí)，超過VRWM的電壓被釋放掉。PESD系列分單向和雙向兩種極性，對(duì)線路如何起到保護(hù)作用和接法用圖例說明PRTR系列Rail-to-Rail（RTR）翻譯成“軌到軌”，用兩個(gè)開關(guān)二極管串聯(lián)，被保護(hù)的線路接中間，兩端一頭接正參考源（如電源），一頭接負(fù)參考源（如地）。因開關(guān)二極管是正向起作用，當(dāng)被保護(hù)的線路上有瞬時(shí)高壓脈沖進(jìn)入，正向脈沖會(huì)通過接到正參考源的二極管釋放，負(fù)向脈沖會(huì)通過接到負(fù)參考源的二極管釋放。軌到軌保護(hù)器件的接法：中間接被保護(hù)線路，VREF1接正參考源（一般接電源），VREF2接負(fù)參考源（一般接地）。因二極管導(dǎo)通壓降0.7V，故信號(hào)電壓范圍被限制在VREF1+0.7VVREF2-0.7V之間。RTR型器件連接方法如下圖所示。IP系列IP系列是NXP為手持電子設(shè)備和消費(fèi)類電子產(chǎn)品保護(hù)高速通訊端口而推出