幾種ESD器件的特性及選型原則

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上ESD器件ESD器件概述ESD保護元件的作用是轉移來自敏感元件的ESD應力，使電流流過保護元件而非敏感元件，同時維持敏感元件上的低電壓；ESD保護元件還應具有低泄漏和低電容特性，不會降低電路功能；不會對高速信號造成損害，在多重應力作用下保護元件的功能不會下降。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保護元件。其中前兩種元件均采用電壓鉗位的方式進行保護，采用帶導電粒子的聚合物則是采用消弧(crowbar)保護策略。壓敏電阻和聚合物支持雙向保護，但TVS可支持單向或雙向保護。傳統(tǒng)的壓敏電阻雖然在成本上具有一定優(yōu)勢，但它存在的一個最大問題是

2、體積太大，無法滿足手持設備的封裝要求。事實上，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、更低的泄漏和更長的使用壽命。 高分子聚合物和TVS在多重應力下仍然可保持強大的性能，而壓敏電阻則會隨著使用次數(shù)的增多性能下降。TVS技術利用的是半導體的鉗位原理，在經(jīng)受瞬時高壓時，會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，材料就會受到一定的物理損傷，形成無法恢復的漏電通道?！癟VS技術的原理就好像傳統(tǒng)的打太極，可以輕松釋放掉能量而不是直接與之對抗”。這樣做的好處是器件不會受到損害，基本上沒有壽命限制。從現(xiàn)場展示的TVS與壓敏電阻的鉗制電壓曲

3、線來看，TVS器件可以在極短時間內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，并且無法達到TVS器件的效果。這表明TVS器件在響應時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，不能響應高達幾百兆頻率的ESD脈沖。2、壓敏電阻/熱敏電阻/PTC，壓敏電阻抗一次ESD脈沖后特性就會改變，而ESD保護器件抗幾萬次也不會改變特性。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，最大可達幾十kA到上百kA；但壓敏電阻的非線性特性較差，大電流時限制電壓較高，低電壓時漏電流較大。4、TVS管的非線性特性和穩(wěn)壓管

4、一樣，擊穿前漏電流很小，擊穿后是標準的穩(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、從反應速度來看，TVS管的反應速度很快，為ps級，而壓敏電阻反應速度較慢，為ns級。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。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響應時間極快稍慢抑制脈沖極高速中高速對線路的容性影響極低一般對高速通信的影響極低高線路中可使用數(shù)量多個少量應用場合抑制靜電放電（ESD）脈沖用于防雷擊或開關電時產(chǎn)生的浪涌瞬態(tài)抑制

5、二極管概述：瞬態(tài)抑制二極管簡稱TVS (Transient Voltage Suppressor )，TVS的電氣特性由P-N結面積，參雜濃度及晶片阻質決定的。其耐突波電流的能力與其P-N結面積成正比。特點：反映速度快(為pS級)，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，性能可靠，不易劣化，使用壽命長。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等或者略大于電路的最

6、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管使用時一般并聯(lián)在被保護電路上。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，應在線路串聯(lián)加限流元件，如電阻、自恢復保險絲、電感等。2、擊穿電壓VBR的選擇：TVS管的擊穿電壓應根據(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TVS管單獨使用時，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。當TVS管在放電管后作為第二級保護時，一般用500W600W的就可以了。4、用于信號傳輸電路保護時

7、，一定要注意所傳輸信號的頻率或傳輸速率。當信號頻率或傳輸速率較高時,應選用低電容系列的管子：信號頻率（傳輸速率）10MHz（Mb/s），Cj60pF； 信號頻率（傳輸速率）100 MHz（Mb/s），Cj20pF。當?shù)碗娙菹盗腥詽M足不了要求時，就應把TVS管串聯(lián)到高速二極管組成的橋路中。MOV壓敏電阻 壓敏電阻的響應時間為ns級，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其響應速度可以滿足要求。壓敏電阻的結電容一般在幾百到幾千Pf的數(shù)量級范圍，很多情況下不宜直接應用在高頻信號線路的保護中，應用在交流電路的保護中時，因為其結電容較大會增加漏電流，在設計防護電路時需要充

8、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是當加在它上面的電壓低于它的閾值UN時，流過它的電流極小，相當于一只關死的閥門，當電壓超過UN時，它的阻值變小，這樣就使得流過它的電流激增而對其他電路的影響變化不大從而減小過電壓對后續(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：是指用于吸收周期出現(xiàn)的連續(xù)脈沖群的壓敏電阻器，例如并

9、接在開關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，其平均功率相當大。 高能型：指用于吸收發(fā)電機勵磁線圈，起重電磁鐵線圈等大型電感線圈中的磁能的壓敏電壓器，對這類應用，主要技術指標是能量吸收能力。4. 壓敏電阻的基本參數(shù)1 標稱壓敏電壓(V)：指通過規(guī)定持續(xù)時間的脈沖電流（一般為1mA 持續(xù)時間一般小于400mS）時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時產(chǎn)生的電壓值與壓敏電阻器的電流為0.1mA

10、時產(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，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)定的時間間隔和次數(shù)，施加標準的沖擊電流）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，壓敏電阻器標稱電壓的變化率，即在通過壓敏電阻器的電

11、流保持恒定時，溫度改變1時，壓敏電阻器兩端電壓的相對變化。 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，溫度改變1時，流過壓敏電阻器電流的相對變化。 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，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)沖擊壓敏電阻器一次或兩次（每次間隔5分鐘），

12、使的壓敏電壓變化仍在10%以內的最大沖擊電流。ESDESD保護器件具有如下優(yōu)秀特性。l 非常低的箝位電壓；l 非常出色的ESD防護能力，高達30KV；l 完全符合IEC61000-4-2，Level 4標準和HBM MIL-Std 883，class 3認證；l 非常低的結電容，低至1pF；l 超低的漏電流，遠小于1A；l 快速的響應時間，遠小于1ns；l 無鉛超小封裝。表Error! No text of specified style in document.1 ESD器件關鍵參數(shù)表符號中文名稱解釋VC箝位電壓脈沖電壓通過ESD器件后，所達到的電壓值VRWM反向關斷電壓應大于或等于被保護線

13、路的操作電壓IRVRWM反向漏電流應小于電路允許的最大漏電流PPP峰值脈沖功率保護器件能吸收瞬時脈沖的能量，典型值取自300W 8/20s脈沖CD結電容是保護器件的寄生電容，數(shù)據(jù)率或操作頻率越高的線路上使用的ESD保護器件的結電容要越低，否則將破壞數(shù)據(jù)信號。VC箝位電壓VC箝位電壓指脈沖電壓通過ESD保護器件后，所被箝位的電壓。如12V的脈沖信號，經(jīng)過PESD5V0L2BT箝位后，電壓降為5V。ESD保護器件具有如下優(yōu)秀特性。l 非常低的箝位電壓；l 非常出色的ESD防護能力，高達30KV；l 完全符合IEC61000-4-2，Level 4標準和HBM MIL-Std 883，class 3

14、認證；l 非常低的結電容，低至1pF；l 超低的漏電流，遠小于1A；l 快速的響應時間，遠小于1ns；l 無鉛超小封裝。VRWM 反向關斷電壓ESD保護器件的反向關斷電壓應大于被保護線路工作電壓，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，ESD保護器件能夠正常工作。NXP ESD保護器件的分類及原理 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，緩沖器，電平轉換等功能的IP系列。PESD

15、系列PESD系列是基于齊納二極管的ESD保護器件，反向起作用。ESD脈沖反向通過時，超過VRWM的電壓被釋放掉。PESD系列分單向和雙向兩種極性，對線路如何起到保護作用和接法用圖例說明PRTR系列Rail-to-Rail（RTR）翻譯成“軌到軌”，用兩個開關二極管串聯(lián)，被保護的線路接中間，兩端一頭接正參考源（如電源），一頭接負參考源（如地）。因開關二極管是正向起作用，當被保護的線路上有瞬時高壓脈沖進入，正向脈沖會通過接到正參考源的二極管釋放，負向脈沖會通過接到負參考源的二極管釋放。軌到軌保護器件的接法：中間接被保護線路，VREF1接正參考源（一般接電源），VREF2接負參考源（一般接地）。因二極管導通壓降0.7V，故信號電壓范圍被限制在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為手持電子設備和消費類電子產(chǎn)品保護高速通訊端口而推出的，不但包