TVS ESD 二极管的特点优势与选型

 

便携式设备的 ESD 保护十分重要，而 TVS 二极管是一种十分有效的保护器件，与其它器件相比有其独特的优势，但在应用时应当针对不同的保护对象来选用器件，因为不同的端口可能受到的静电冲击有所不同，不同器件要求的保护程度也有不同。要注意相应的参数鉴别以及各个生产商的不同设计，同时还要进行合理的 PCB 布局。本文介绍在便携式设备的 ESD 保护中如何应用 TVS 二极管器件。

 

便携式设备如笔记本电脑、手机、PDA、MP3 播放器等，由于频繁与人体接触极易受到静电放电(ESD)的冲击，如果没有选择合适的保护器件，可能会造成机器性能不稳定，或者损坏。更坏的情况是查不出确切的原因，使用户误认为是产品质量问题而损坏企业信誉。

 

一般情况下，对此类设备暴露在外面可能与人体接触的端口都要求进行防静电保护，如键盘、电源接口、数据口、I/O 口等等。现在比较通用的 ESD 标准是 IEC61000-4-2，应用人体静电模式，测试电压的范围为 2kV～15kV(空气放电)，峰值电流最高为 20A/ns，整个脉冲持续时间不超过 60ns。在这样的脉冲下所产生的能量总共不超过几百个微焦尔，但却足以损坏敏感元器件。

 

便携式设备所采用的 IC 器件大多是高集成度、小体积产品，精密的加工工艺使硅晶氧化层非常薄，因而更易击穿，有的在 20V 左右就会受到损伤。传统的保护方法已不再普遍适用，有的甚至还会造成对设备性能的干扰。

 

TVS 二极管的特点

 

可用于便携式设备的 ESD 保护器件有很多，例如设计人员可用分立器件搭建保护回路，但由于便携设备对于空间的限定以及避免回路自感，这种方法已逐渐被更加集成化的器件所替代。多层金属氧化物器件、陶瓷电容还有二极管都可以有效地进行防护，它们的特性及表现各有不同，TVS 二极管在此类应用中的独特表现为其赢得了越来越大的市场。

 

TVS 二极管最显着的特点一是反应迅速，使瞬时脉冲在没有对线路或器件造成损伤之前就被有效地遏制，二是截止电压比较低，更适用于电池供电的低电压回路环境。另外对 TVS 二极管设计的改进使其具有更低的漏电流和结电容，因而在处理高速率传导回路的静电冲击时有更理想的性能表现。

 

TVS 二极管的优势

 

TVS 与齐纳二极管：与传统的齐纳二极管相比，TVS 二极管 P/N 结面积更大，这一结构上的改进使 TVS具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。

 

TVS 与陶瓷电容：很多设计人员愿意采用表面贴装的陶瓷电容作 ESD 保护，不但便宜而且设计简便，但这类器件对高压的承受力却比较弱。5kV 的冲击会造成约 10%陶瓷电容失效，到 10kV 时，损坏率达到60%，而 TVS 可以承受 15kV 电压。在手持设备的使用过程中，由于与人体频繁接触，各个端口必须至少能够承受 8kV 接触冲击(IEC61000-4-2 标准)，可见使用 TVS 可以有效保证最终产品的合格率。

 

 

TVS 与 MLV：多层金属氧化物结构器件(MLV)也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非线性电压-电流(阻抗表现)关系，截止电压可达最初中止电压的 2～3 倍，这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的保护，如电源回路。而 TVS 二极管具有更好的电压截止因子，同时还具有较低的电容，这一点对于手持设备的高频端口非常重要，因为过高的电容会影响数据传输，造成失真或是降级。

TVS 二极管的各种表面封装均适合流水线装配的要求，而且芯片结构便于集成其它的功能，如 EMI 和 RFI过滤保护等，可有效降低器件成本，优化整体设计。

另一个不能忽略的特点是二极管可以很方便地与其它器件集成在一个芯片上，现有很多将 EMI 过滤和 RFI 防护等功能与 TVS 集成在一起的器件，不但减少设计所采用的器件数目降低成本，而且也避免 PCB板上布线时易诱发的伴生自感。

 

在选择 TVS 二极管时，必须注意以下几个参数的选择：

 

1. 最小击穿电压VBR和击穿电流IR。VBR是TVS最小的击穿电压，在 25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。当TVS流过规定的 1mA电流(IR)时，加于TVS两极的电压为其最小击穿电压VBR。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把VBR分为 5%和 10%两种。对于 5%的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10%的VBR来说，VWM=0.81VBR。为了满足IEC61000-4-2 国际标准，TVS二极管必须达到可以处理最小 8kV(接触)和 15kV(空气)的ESD冲击。

 

2. 最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM。VWM这是二极管在正常状态时可承受的电压，此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压，否则二极管会不断截止回路电压；但它又需要尽量与被保护回路的正常工作电压接近，这样才不会在TVS工作以前使整个回路面对过压威胁。当这个额定反向关断电压VWM加于TVS的两极间时它处于反向关断状态，流过它的电流应小于或等于其最大反向漏电流ID。

 

3. 最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP。当持续时间为 20mS的脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现的最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC与VBR之比称为箝位因子，一般在 1.2~1.4 之间。VC是二极管在截止状态提供的电压，也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则器件面临被损伤的危险。

 

4. Pppm额定脉冲功率，这是基于最大截止电压和此时的峰值脉冲电流。对于手持设备，一般来说 500W的TVS就足够了。最大峰值脉冲功耗PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功耗值。在给定的最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪涌电流的承受能力越大。在给定的功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流的承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。而且，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为 0.01%。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功率的累积，有可能损坏TVS。

 

5. 电容量 C。电容量 C 是由 TVS 雪崩结截面决定的，是在特定的 1MHz 频率下测得的。C 的大小与TVS 的电流承受能力成正比，C 太大将使信号衰减。因此，C 是数据接口电路选用 TVS 的重要参数。电容对于数据/信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。