器件防護(hù)工作原理

1、ESD器件防護(hù)工作原理這里介紹手機(jī)中比較常用的TVS管和壓敏電阻。一、 ESD器件的主要性能參數(shù)1、最大工作電壓(Max Working Voltage)允許長期連續(xù)施加在ESD保護(hù)器件兩端的電壓(有效值)，在此工作狀態(tài)下ESD器件不導(dǎo)通，保持高阻狀態(tài)，反向漏電流很小。2、擊穿電壓(Breakdown Voltage) ESD器件開始動(dòng)作(導(dǎo)通)的電壓。一般地，TVS管動(dòng)作電壓比壓敏電阻低。3、鉗位電壓(Clamping Voltage) ESD器件流過峰值電流時(shí)，其兩端呈現(xiàn)的電壓，超過此電壓，可能造成ESD永久性損傷。4、漏電流(Leakage Current) 在指定的直流電壓(一般指不超

2、過最大工作電壓)的作用下，流過ESD器件的電流。一般地，TVS管的反向漏電流是nA級(jí)，壓敏電阻漏電流是A級(jí)，此電流越小，對保護(hù)電路影響越小。5、電容(Capacitance)在給定電壓、頻率條件下測得的值，此值越小，對保護(hù)電路的信號(hào)傳輸影響越小。比如硅半導(dǎo)體TVS管的結(jié)電容(pF級(jí))，壓敏電阻的寄生電容(nF級(jí))6、響應(yīng)時(shí)間(Response Time) 指ESD器件對輸入的大電壓鉗制到預(yù)定電壓的時(shí)間。一般地，TVS管的響應(yīng)時(shí)間是ns級(jí)，壓敏電阻是s級(jí)，此時(shí)間越小，更能有效的保護(hù)電路中元器件。7、壽命(ESD Pulse Withstanding) TVS技術(shù)利用的是半導(dǎo)體的鉗位原理，在經(jīng)受瞬

3、時(shí)高壓時(shí)，會(huì)立即將能量釋放出去，基本上沒有壽命限制；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)受到一定的物理損傷，形成無法恢復(fù)的漏電通道，會(huì)隨著使用次數(shù)的增多性能下降，存在壽命限制。二、 TVS管(硅半導(dǎo)體)瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor）簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件，利用P-N結(jié)的反向擊穿工作原理，將靜電的高壓脈沖導(dǎo)入地，從而保護(hù)了電器內(nèi)部對靜電敏感的元件。以TVS二極管為例：當(dāng)瞬時(shí)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(shí)電流一個(gè)超低電阻通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過二極管被引開，避開被保護(hù)器

4、件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動(dòng)回復(fù)高阻狀態(tài)，整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。TVS管的失效模式主要是短路，但當(dāng)通過的過電流太大時(shí)，也可能造成TVS管被炸裂而開路。TVS管有單向和雙向兩種，單向TVS管的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向TVS管的特性相當(dāng)于兩個(gè)穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)，其I-V曲線特性圖見圖1，圖中性能參數(shù)注解： 反向斷態(tài)電壓(截止電壓) VRWM與反向漏電流IR：反向斷態(tài)電壓(截止電壓)VRWM表示TVS管不導(dǎo)通的最高電壓，在這個(gè)電壓下只有很小的反向漏電流IR。 擊穿電壓VBR：TVS管通過規(guī)定的測試電流IT時(shí)的電壓，這是表示TVS管導(dǎo)

5、通的標(biāo)志電壓。 脈沖峰值電流IPP：TVS管允許通過的10/1000s波的最大峰值電流（8/20s波的峰值電流約為其5倍左右，8/20s是定義IPP脈沖波電流，請參考下圖2），超過這個(gè)電流值就可能造成永久性損壞。在同一個(gè)系列中，擊穿電壓越高的管子允許通過的峰值電流越小。 最大箝位電壓VC：TVS管流過脈沖峰值電流IPP時(shí)兩端所呈現(xiàn)的電壓。 正向?qū)妷篤F：TVS通過正向?qū)娏鱅F的壓降。除上述性能參數(shù)外，TVS管還有一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：P-N結(jié)電容Cj。VIVIR雙向TVS管ITIPPVRWM VcVBR 單向TVS管IIFVFIRITIPPVRWM VcVBR 圖1 TVS管I-V曲線特性圖圖

6、2 圖4 1090074 的電氣特性三、 壓敏電阻(MLV/MOV)多層壓敏電阻(MLV)及金屬氧化物壓敏電阻(MOV)利用ZnO等壓敏陶瓷材料的壓敏特性，實(shí)現(xiàn)了對靜電的防護(hù)，壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體，當(dāng)施加于壓敏電阻器兩端電壓小于其壓敏電壓，壓敏電阻器相當(dāng)于10M以上絕緣電阻；當(dāng)在壓敏電阻器兩端施加大于壓敏電壓的過電壓時(shí)，壓敏電阻器的電阻急劇下降呈現(xiàn)低阻態(tài)，從而把電荷快速導(dǎo)走，有效地保護(hù)了電路中的其它元器件不致過壓而損壞。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)受到一定的物理損傷，形成無法恢復(fù)的漏電通道，會(huì)隨著使用次數(shù)的增多性能下降，存在壽命限制問題。壓敏電阻支

7、持雙向保護(hù)，它的伏安特性是完全對稱的，見圖5，VW：正常工作電壓(Working Voltage)。IL：最大Vw工作條件下的漏電電流(Leakage Current)。壓敏電阻的失效模式主要是短路，但當(dāng)通過的過電流太大時(shí)，也可能造成閥片被炸裂而開路。IILVWV1mAVBRIPPVC 預(yù)擊穿區(qū)(VVBR)：在此區(qū)域內(nèi)，當(dāng)施加于壓敏電阻器兩端電壓小于其壓敏電壓，壓敏電阻器相當(dāng)于10M以上絕緣電阻。 擊穿區(qū)(VBRVVC)：當(dāng)在壓敏電阻器兩端施加大于壓敏電壓的過電壓時(shí)，壓敏電阻器的電阻急劇下降呈現(xiàn)低阻態(tài)，其兩端電壓的微小變化就可引起電流的急劇變化。 上升區(qū)(VCV)：當(dāng)過電壓很大，上升區(qū)電流和電壓幾乎呈線性關(guān)系，壓敏電阻在該區(qū)域已經(jīng)惡化，失去了其抑制過電壓、吸收或釋放浪涌能量等特性，甚至造成壓敏電阻永久性的損壞。圖5 ZnO等壓敏陶瓷材料的壓敏電阻I-V曲線特性圖四、 TVS管和壓敏電阻應(yīng)用場合通過對TVS管和壓敏電阻的性能對比，根據(jù)各自的優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用場合列下：1、 與壓敏電阻比較，TVS管具有響應(yīng)時(shí)間快、鉗位電壓偏差小、結(jié)電容小、反向漏電流小和無壽命限制等優(yōu)點(diǎn)，因而較適合于信號(hào)質(zhì)量要求高、線漏電要求小等接口的ESD防護(hù)，