便攜式設(shè)備的ESD靜電保護(hù)十分重要，而TVS瞬態(tài)抑制二極管是一種十分有效的保護(hù)器件，與其它器件相比有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但在應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)針對不同的保護(hù)對象來選用器件，因為不同的端口可能受到的靜電沖擊有所不同，不同器件要求的保護(hù)程度也有不同。要注意相應(yīng)的參數(shù)鑒別以及各個生產(chǎn)商的不同設(shè)計，同時還要進(jìn)行合理的PCB 布局。本文介紹在便攜式設(shè)備的ESD靜電保護(hù)中如何應(yīng)用TVS瞬態(tài)抑制二極管器件。
便攜式設(shè)備如筆記本電腦、手機(jī)、PDA、MP3 播放器等，由于頻繁與人體接觸極易受到靜電放電(ESD)的沖擊，如果沒有選擇合適的保護(hù)器件，可能會造成機(jī)器性能不穩(wěn)定，或者損壞。更壞的情況是查不出確切的原因，使用戶誤認(rèn)為是產(chǎn)品質(zhì)量問題而損壞企業(yè)信譽(yù)。
一般情況下，對此類設(shè)備暴露在外面可能與人體接觸的端口都要求進(jìn)行防靜電保護(hù)，如鍵盤、電源接口、數(shù)據(jù)口、I/O 口等等。現(xiàn)在比較通用的ESD 標(biāo)準(zhǔn)是IEC61000-4-2，應(yīng)用人體靜電模式，測試電壓的范圍為2kV～15kV(空氣放電)，峰值電流最高為20A/ns，整個脈沖持續(xù)時間不超過60ns。在這樣的脈沖下所產(chǎn)生的能量總共不超過幾百個微焦?fàn)枺珔s足以損壞敏感元器件。
便攜式設(shè)備所采用的IC 器件大多是高集成度、小體積產(chǎn)品，精密的加工工藝使硅晶氧化層非常薄，因而更易擊穿，有的在20V 左右就會受到損傷。傳統(tǒng)的保護(hù)方法已不再普遍適用，有的甚至還會造成對設(shè)備性能的干擾。
TVS瞬態(tài)抑制二極管的特點(diǎn)
可用于便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)器件有很多，例如設(shè)計人員可用分立器件搭建保護(hù)回路，但由于便攜設(shè)備對于空間的限定以及避免回路自感，這種方法已逐漸被更加集成化的器件所替代。多層金屬氧化物器件、陶瓷電容還有二極管都可以有效地進(jìn)行防護(hù)，它們的特性及表現(xiàn)各有不同，TVS瞬態(tài)抑制二極管在此類應(yīng)用中的獨(dú)特表現(xiàn)為其贏得了越來越大的市場。
TVS瞬態(tài)抑制二極管最顯著的特點(diǎn)一是反應(yīng)迅速，使瞬時脈沖在沒有對線路或器件造成損傷之前就被有效地遏制，二是截止電壓比較低，更適用于電池供電的低電壓回路環(huán)境。另外對TVS瞬態(tài)抑制二極管設(shè)計的改進(jìn)使其具有更低的漏電流和結(jié)電容，因而在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時有更理想的性能表現(xiàn)。
TVS瞬態(tài)抑制二極管的優(yōu)勢
TVS二極管與齊納二極管：與傳統(tǒng)的齊納二極管相比，TVS瞬態(tài)抑制二極管P/N 結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使TVS具有更強(qiáng)的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對于保護(hù)手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。
TVS二極管與陶瓷電容：很多設(shè)計人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD 保護(hù)，不但便宜而且設(shè)計簡便，但這類器件對高壓的承受力卻比較弱。5kV 的沖擊會造成約10%陶瓷電容失效，到10kV 時，損壞率達(dá)到60%，而TVS二極管可以承受15kV 電壓。在手持設(shè)備的使用過程中，由于與人體頻繁接觸，各個端口必須至少能夠承受8kV 接觸沖擊(IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn))，可見使用TVS二極管可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。
TVS二極管與MLV：多層金屬氧化物結(jié)構(gòu)器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現(xiàn))關(guān)系，截止電壓可達(dá)最初中止電壓的2～3 倍，這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的保護(hù)，如電源回路。而TVS瞬態(tài)抑制二極管具有更好的電壓截止因子，同時還具有較低的電容，這一點(diǎn)對于手持設(shè)備的高頻端口非常重要，因為過高的電容會影響數(shù)據(jù)傳輸，造成失真或是降級。
TVS瞬態(tài)抑制二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求，而且芯片結(jié)構(gòu)便于集成其它的功能，如EMI 和RFI過濾保護(hù)等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設(shè)計。
另一個不能忽略的特點(diǎn)是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個芯片上，現(xiàn)有很多將EMI 過濾和RFI 防護(hù)等功能與TVS 集成在一起的器件，不但減少設(shè)計所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免PCB板上布線時易誘發(fā)的伴生自感。
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(fèi)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(jī))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(hù)功能的器件。
2 RJ-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)。
3. 視頻線路的保護(hù)
目前視頻常見的輸出端口設(shè)計有 D-SUB、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(dá)480Mbps，有的視頻數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)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瞬態(tài)抑制二極管串聯(lián)，以降低整個線路的電容(可低于3pF)，達(dá)到高速率回路的要求。
4. SIM 卡數(shù)據(jù)線路保護(hù)
SIM 卡數(shù)據(jù)線路保護(hù)一直是各個公司的產(chǎn)品重點(diǎn),而且專門為此類端口設(shè)計的集ESD(TVS)/EMI/RFI 防護(hù)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(hù)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(hù)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。
5. USB 保護(hù)
一般 USB 的ESD 保護(hù)分上行和下行兩種情況。
6. 音頻/揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)線路保護(hù)
在音頻數(shù)據(jù)線路保護(hù)方面，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，100pF左右都是可以接受的。有的手機(jī)設(shè)計中將耳機(jī)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(hù)。
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。
在選擇 TVS瞬態(tài)抑制二極管時，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℃時，低于這個電壓TVS是不會發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS 流過規(guī)定的1mA 電流(IR)時，加于TVS 兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。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=0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2 國際標(biāo)準(zhǔn)，TVS瞬態(tài)抑制二極管必須達(dá)到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD 沖擊。
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)大于或等于被保護(hù)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(hù)回路的正常工作電壓接近，這樣才不會在TVS 工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。
3. 最大箝位電壓VC 和最大峰值脈沖電流IPP。當(dāng)持續(xù)時間為20mS 的脈沖峰值電流IPP 流過TVS 時，在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP 反映了TVS 的浪涌抑制能力。VC 與VBR 之比稱為箝位因子，一般在1.2~1.4 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，它不能大于被保護(hù)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，器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖，應(yīng)考慮脈沖功率的累積，有可能損壞TVS。
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1MHz 頻率下測得的。C 的大小與TVS 的電流承受能力成正比，C 太大將使信號衰減。因此，C 是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS 的重要參數(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(qiáng)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。
PCB 設(shè)計時的考慮
PCB layout 對防靜電影響重大，所以必須在layout 前就得考慮ESD 防護(hù)問題，而不是在板子出來后才加以修正。加TVS diode 絕對是簡單而實用的防ESD 方式，但它還是需要在畫線路圖時就選好具體料號或封裝，并在PCB 上留好位置，一旦在測試當(dāng)中沒辦法通過時就可以把它加上再測，當(dāng)然，如果不加TVS 也能通過那就更好了。如果沒留位置且測試通不過，這是件麻煩事。TVS 應(yīng)用時需要考慮layout，需要考慮泄放路徑的最短化，再好的TVS 如果layout 不好，它同樣沒辦法起到防ESD 的作用。不管選擇怎樣的TVS 器件，它們在電路板上的布局非常重要。TVS 布局前的導(dǎo)線長度應(yīng)該減到最小，因為快速(0.7ns)ESD 放電電流在電感性布線上感應(yīng)出很高的電壓尖峰，影響ESD 保護(hù)的性能。另外，快速 ESD 脈沖可能在電路板上相鄰(平行)導(dǎo)線間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果上述情況發(fā)生，由于將不會得到保護(hù)，因為感應(yīng)電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達(dá)IC 的路徑。因此，被保護(hù)的輸入線不應(yīng)該被放置在其它單獨(dú)、未受保護(hù)的走線旁邊。推薦的ESD 抑制器件PCB 布局方案應(yīng)該是：應(yīng)盡可能的濾除所有的I/O 口的干擾信號，靠近連接器/觸點(diǎn)PCB 側(cè)。圖一是PCB 布局的建議.走線時，盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾；輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發(fā)生反饋藕合。圖二是布線時的優(yōu)化建議。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瞬態(tài)抑制二極管保護(hù)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(qiáng)大的電壓沖擊，導(dǎo)致超出IC 的承受極限而造成損壞。負(fù)載產(chǎn)生的自感電壓與電源變化強(qiáng)度成正比，ESD 沖擊的瞬變特征易于誘發(fā)高強(qiáng)自感。減小寄生自感的基本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(hù)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（直接就近瀉放ESD 干擾，避免串入后續(xù)電路），與被保護(hù)線路盡量接近（畫版時原則上要靠近被保護(hù)的芯片），這樣才會減少自感耦合到其它鄰近線路上的機(jī)會。
在電路板設(shè)計中還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1． 避免在保護(hù)線路附近走比較關(guān)鍵的信號線；
2． 盡量將接口安排在同一個邊上；
3． 避免被保護(hù)回路和未實施保護(hù)的回路并聯(lián)；
4． 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；
5． 將接口信號線路和接地線路直接接到保護(hù)器件上，然后再進(jìn)入回路的其它部分；
6． 將復(fù)位、中斷、控制信號遠(yuǎn)離輸入/輸出口，遠(yuǎn)離PCB 的邊緣；
7． 在可能的地方都加入接地點(diǎn)；
8． 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。
ESD 分析：
1. 傳導(dǎo)路徑：在傳導(dǎo)入口放ESD diode 就近泄放解決該ESD 干擾（最佳方案）。
2. 失效分析：因為ESD 路徑的難確定性，干脆就不去猜它到底是怎么傳導(dǎo)的，而是直接去看那些被干擾到的IC。打靜電后，IC 不會死而只是重起，那該是控制這些IC 的控制腳電位被改變了，是不是可以看這些IC 有EN 腳嗎，電源有問題不？試著用示波器去看看靜電從外殼傳導(dǎo)到這些pin 腳后實際殘留的波形，這更方便我們分析。然后在干擾的pin 腳處放ESD diode 保護(hù)該IC.
