如何選擇ESD保護(hù)元件

本文將分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以采用的一些保護(hù)產(chǎn)品類型，并比較它們的特性。為了確保系統(tǒng)在遭受ESD事件時(shí)的魯棒性，必須按照IEC 61000-4-2等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試這些產(chǎn)品。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師采用多種方法來(lái)確保產(chǎn)品符合主流的ESD標(biāo)準(zhǔn)，包括解決外殼設(shè)計(jì)、電路板設(shè)計(jì)、元件選擇，甚至是軟件修復(fù)。其中一個(gè)重要的方法是在輸入和輸出(I/O)連接器等關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)處使用保護(hù)元件。ESD保護(hù)元件通常稱作瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。

TVS的ESD保護(hù)原理

許多集成電路(IC)都有一些可能比較敏感的輸入，這使得它們?cè)谳斎腚妷哼h(yuǎn)高于正常值的的情況下(例如在ESD應(yīng)力作用下)易于受損。正常工作電壓與使器件開(kāi)始受損的電壓之間的區(qū)域是安全過(guò)壓區(qū)。安全過(guò)壓區(qū)與器件受損區(qū)之間有少許交疊，因?yàn)槿绻^大的過(guò)壓僅持續(xù)極短時(shí)間，那么即使不是在安全過(guò)壓區(qū)，器件可能也可以承受。TVS的任務(wù)就是發(fā)生ESD事件時(shí)，將輸入電壓維持在安全過(guò)壓范圍之內(nèi)，而在正常工作時(shí)不影響系統(tǒng)性能。TVS器件被放置于鄰近ESD事件可能進(jìn)入系統(tǒng)的位置，旨在限制敏感節(jié)點(diǎn)處的電壓，并將電流引至不太敏感的節(jié)點(diǎn)，如地電平。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，TVS必須在正常工作電壓范圍內(nèi)擁有高阻抗,在正常工作電壓范圍之外擁有低阻抗，這樣才能將電流直接從敏感節(jié)點(diǎn)引開(kāi)，并限制瞬態(tài)電壓。

對(duì)TVS的基本要求與具體應(yīng)用有關(guān)，但一般情況下有如下要求：(1)能夠在期望的ESD應(yīng)力下正常工作；(2)在正常電壓范圍內(nèi)具有高阻抗(低泄漏)；(3)在正常電壓范圍之外呈低阻抗；(4)導(dǎo)通電壓適合應(yīng)用；(5)在遭受應(yīng)力期間可快速地從高阻抗轉(zhuǎn)換至低阻抗(6)電容對(duì)目標(biāo)應(yīng)用而言不太高。在比較具體的TVS器件類型之前，需要理解兩種分類。

單向與雙向保護(hù)：?jiǎn)蜗蚝碗p向TVS器件都能抑制正向和負(fù)向應(yīng)力。依據(jù)TVS維持高阻抗、低泄漏狀態(tài)的電壓范圍，可以最好地理解這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)的不同。這種電壓范圍決定了TVS器件能保護(hù)的電路節(jié)點(diǎn)類型。雙向TVS具有相對(duì)于零伏電壓的對(duì)稱特性(圖1)。雙向器件最適合保護(hù)電壓基于零伏對(duì)稱或雙向的電路節(jié)點(diǎn)。單向TVS產(chǎn)品具有相對(duì)零伏電壓不對(duì)稱的特性。單向TVS器件極適合保護(hù)電壓極性始終相同的電路節(jié)點(diǎn)，如0到5伏這樣的單極性電壓。

電壓箝位與消?。弘妷后槲黄骷墓ぷ髟硎菑牡碗妷簳r(shí)的高阻抗轉(zhuǎn)換至高于導(dǎo)通電壓時(shí)的低阻抗，且沒(méi)有負(fù)阻抗區(qū)域(圖2)。這器件通過(guò)提供接地的低阻抗通道，對(duì)高于導(dǎo)通電壓的電壓進(jìn)行箝位。消弧(crowbar)器件在低電壓時(shí)也呈高阻抗，但當(dāng)電壓較高時(shí)觸發(fā)新的導(dǎo)通機(jī)制，使電流增大，并伴隨著電壓下降。因此，消弧器件擁有負(fù)阻抗區(qū)域。某些消弧器件的觸發(fā)電壓可能非常高。如果消弧TVS觸發(fā)器的速度足夠快，就可以經(jīng)常提供保護(hù)，即便電壓已經(jīng)達(dá)到可能導(dǎo)致器件損壞的電平。消弧器件有時(shí)也稱作“驟回”器件，因?yàn)殡妷后E然下降。

ESD TVS器件采用的技術(shù)主要有三種：壓敏電阻、聚合物和硅二極管，每種技術(shù)各有其獨(dú)特特性。 [!--empirenews.page--]

1．金屬氧化物壓敏電阻(MOV)

壓敏電阻在小電流和低電壓下具有高阻抗，但在高電壓和大電流下，它們的阻抗大幅下降，因此它們屬于電壓箝位器件。

壓敏電阻是雙向保護(hù)器件，具有很寬范圍的電流和電壓保護(hù)能力，適用從高壓輸電線路和雷電保護(hù)，到到小型ESD表面貼裝器件等應(yīng)用領(lǐng)域，。然而，相對(duì)于它們的導(dǎo)電率來(lái)說(shuō)，它們電容較大，這意味著它們?cè)诟咚傩盘?hào)線路保護(hù)方面的應(yīng)用受到限制。壓敏電阻在遭受多次應(yīng)力后，性能也會(huì)下降，即使遠(yuǎn)低于單次應(yīng)力導(dǎo)致的損壞等級(jí)。

2．聚合物浪涌抑制器

聚合物浪涌抑制器件為消弧器件，且總是雙向保護(hù)器件。它們的電容很低，對(duì)高速應(yīng)用具有吸引力。但是它們的短處是導(dǎo)通電壓高、導(dǎo)通阻抗性能相對(duì)較差，遭受多次應(yīng)力時(shí)易于性能下降。

3．TVS二極管

如今大多數(shù)的二極管都是采用硅制造的固態(tài)器件。它們?yōu)殡p端器件，很容易讓一個(gè)方向上的電流流過(guò)，但在相反方向上，它們呈現(xiàn)高阻抗，直到兩端電壓達(dá)到擊穿電壓。二極管本質(zhì)上為單向器件，保護(hù)方式為電壓箝位。

二極管的特性取決于N區(qū)與P區(qū)的摻雜程度，這兩個(gè)區(qū)離結(jié)點(diǎn)的距離遠(yuǎn)近不同。調(diào)節(jié)摻雜程度能構(gòu)建反向偏置擊穿電壓在幾百伏到僅幾伏之間的二極管。設(shè)計(jì)有明確定義的反向偏置擊穿電壓的二極管，通常稱作齊納二極管。

基于二極管的TVS產(chǎn)品擁有其它ESD保護(hù)產(chǎn)品所不具備的多用性——可選擇單向和雙向保護(hù)?；径O管是單向產(chǎn)品，且是僅有的單向保護(hù)元件。串聯(lián)結(jié)合兩個(gè)二極管就能輕易地構(gòu)成雙向保護(hù)。雙向保護(hù)可通過(guò)共陰極或共陽(yáng)極配置來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用一對(duì)單向TVS器件便能實(shí)現(xiàn)雙向保護(hù)性能。市面上有多種基于雙向二極管的TVS器件，這些器件中的兩個(gè)二極管均位于同一個(gè)封裝，甚至經(jīng)常集成在單個(gè)硅襯底上。

過(guò)去，硅TVS器件由于電容高，在保護(hù)低壓高速信號(hào)線路方面存在劣勢(shì)。然而，近年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步消除了這種不利因素。安森美半導(dǎo)體的新產(chǎn)品ESD9L5.0將硅器件保護(hù)的優(yōu)勢(shì)與高速應(yīng)用要求的低電容結(jié)合在一起。這個(gè)產(chǎn)品的特性就像一個(gè)簡(jiǎn)單的齊納二極管。事實(shí)上，ESD9L5.0包含一個(gè)擊穿電壓低的齊納二極管和一對(duì)擊穿電壓高(因而電容小)的標(biāo)準(zhǔn)二極管。

保護(hù)元件的比較

表1總結(jié)了前面談及的三類TVS器件的基本特性。選擇恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)器件應(yīng)考慮多種因素，其中關(guān)鍵的決定因素就是被保護(hù)電路的特性。

對(duì)應(yīng)力有不對(duì)稱敏感度的電路節(jié)點(diǎn)，可能需要只有TVS二極管產(chǎn)品才能提供的單向保護(hù)。高速應(yīng)用要求非常低的電容，這使得使聚合物器件具有吸引力。聚合物器件可以滿足對(duì)低電容和保護(hù)能力的要求。為了讓聚合物TVS產(chǎn)品可以用在高速應(yīng)用中，，高速節(jié)點(diǎn)需要在瞬態(tài)高壓下工作以導(dǎo)通聚合物TVS，并在導(dǎo)通模式下提供中等阻抗。

由于成本低、不要求高壓導(dǎo)通，壓敏電阻常常具有吸引力。如果它們被制造得足夠大以提供具有足夠低的導(dǎo)通阻抗，從而提供充足的保護(hù)，那么它們的電容通常對(duì)高速應(yīng)用而言就太大了。TVS二極管產(chǎn)品具有很好的箝位能力，如今市場(chǎng)上也有超低電容的TVS產(chǎn)品，甚至適合最高速的應(yīng)用。二極管也頗具吸引力，因?yàn)樗鼈兡軌蛴米鲉蜗虮Ｗo(hù)器件，匹配當(dāng)今許多高速數(shù)字信號(hào)的電壓范圍。