便攜式設備如筆記本電腦、手機、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(méi)有選擇合適的保護器件，可能會(huì )造成機器性能不穩定，或者損壞。更壞的情況是查不出確切的原因，使用戶(hù)誤認為是產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題而損壞企業(yè)信譽(yù)。

 

一般情況下，對此類(lèi)設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，如鍵盤(pán)、電源接口、數據口、I/O 口等等?，F在比較通用的ESD 標準是IEC61000-4-2，應用人體靜電模式，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(gè)脈沖持續時(shí)間不超過(guò)60ns。在這樣的脈沖下所產(chǎn)生的能量總共不超過(guò)幾百個(gè)微焦爾，但卻足以損壞敏感元器件。

 

便攜式設備所采用的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(huì )受到損傷。傳統的保護方法已不再普遍適用，有的甚至還會(huì )造成對設備性能的干擾。

 

 

TVS管的特點(diǎn):

可用于便攜式設備的ESD保護器件有很多，例如設計人員可用分立器件搭建保護回路，但由于便攜設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，它們的特性及表現各有不同，TVS管在此類(lèi)應用中的獨特表現為其贏(yíng)得了越來(lái)越大的市場(chǎng)。

 

TVS管最顯著(zhù)的特點(diǎn)一是反應迅速，使瞬時(shí)脈沖在沒(méi)有對線(xiàn)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管設計的改進(jìn)使其具有更低的漏電流和結電容，因而在處理高速率傳導回路的靜電沖擊時(shí)有更理想的性能表現。

 

TVS管的優(yōu)勢:

TVS管與齊納二極管：與傳統的齊納二極管相比，TVS管P/N 結面積更大，這一結構上的改進(jìn)使TVS具有更強的高壓承受能力，同時(shí)也降低了電壓截止率，因而對于保護手持設備低工作電壓回路的安全具有更好效果。

 

TVS管與陶瓷電容：很多設計人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD 保護，不但便宜而且設計簡(jiǎn)便，但這類(lèi)器件對高壓的承受力卻比較弱。5kV 的沖擊會(huì )造成約10%陶瓷電容失效，到10kV 時(shí)，損壞率達到60%，而TVS管可以承受15kV 電壓。在手持設備的使用過(guò)程中，由于與人體頻繁接觸，各個(gè)端口必須至少能夠承受8kV 接觸沖擊(IEC61000-4-2 標準)，可見(jiàn)使用TVS管可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。

 

TVS管與MLV：多層金屬氧化物結構器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)高壓沖擊抑制，此類(lèi)器件具有非線(xiàn)性電壓-電流(阻抗表現)關(guān)系，截止電壓可達最初中止電壓的2～3 倍，這種特性適合用于對電壓不太敏感的線(xiàn)路和器件的保護，如電源回路。而TVS管具有更好的電壓截止因子，同時(shí)還具有較低的電容，這一點(diǎn)對于手持設備的高頻端口非常重要，因為過(guò)高的電容會(huì )影響數據傳輸，造成失真或是降級。

 

TVS管的各種表面封裝均適合流水線(xiàn)裝配的要求，而且芯片結構便于集成其它的功能，如EMI 和RFI過(guò)濾保護等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設計。

 

另一個(gè)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(gè)芯片上，現有很多將EMI 過(guò)濾和RFI 防護等功能與TVS 集成在一起的器件，不但減少設計所采用的器件數目降低成本，而且也避免PCB板上布線(xiàn)時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。
 

 

ESD 應用：

1.底部連接器的應用

底部連接器設計廣泛應用在移動(dòng)消費類(lèi)產(chǎn)品上，目前市場(chǎng)上應用產(chǎn)品主要為移動(dòng)電話(huà)、PDA、DSC(數碼相機)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(huì )受到高能量的沖擊，可以選用集成了TVS 和過(guò)流保護功能的器件。

 

2. RJ-45(10/100M 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò ))

RJ-45 接口廣泛應用在網(wǎng)絡(luò )連接的接口設備上，典型的應用就是10/100M 以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )。

 

3. 視頻線(xiàn)路的保護

目前視頻常見(jiàn)的輸出端口設計有 D-SUB、DVI(28 線(xiàn))、SCART(19 線(xiàn))和D-TERMINAL(主要日系產(chǎn)品在用)。視頻數據線(xiàn)具有高數據傳輸率，數據傳輸率高達480Mbps，有的視頻數據傳輸率達到1G以上，因而要選擇低電容LCTVS，它通常是將一個(gè)低電容二極管與TVS管串聯(lián)，以降低整個(gè)線(xiàn)路的電容(可低于3pF)，達到高速率回路的要求。

 

4. SIM 卡數據線(xiàn)路保護

SIM 卡數據線(xiàn)路保護一直是各個(gè)公司的產(chǎn)品重點(diǎn),而且專(zhuān)門(mén)為此類(lèi)端口設計的集ESD(TVS)/EMI/RFI 防護于一個(gè)芯片的器件，充分體現了片式器件的無(wú)限集成方案。在針對不同用途選擇器件時(shí)，要避免使器件工作在其設計參數極限附近，還應根據被保護回路的特征及可能承受ESD 沖擊的特征選用反應速度足夠快、敏感度足夠高的器件，這對于有效發(fā)揮保護器件的作用十分關(guān)鍵，另外集成了其它功能的器件也應當首先考慮。

 

5. USB 保護

一般 USB 的ESD 保護分上行和下行兩種情況。

 

6. 音頻/揚聲器數據線(xiàn)路保護

在音頻數據線(xiàn)路保護方面，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。有的手機設計中將耳機和麥克風(fēng)合在一起，有的則是分立線(xiàn)路。前一種情況可以選擇單路TVS，而后一種情況如果兩個(gè)回路是鄰近的，則可以選用多路TVS 陣列，只用一個(gè)器件就能完成兩個(gè)回路的保護。

 

7. 按鍵/開(kāi)關(guān)

對于按鍵和開(kāi)關(guān)回路，這些回路的數據率很低，對器件的電容沒(méi)有特殊要求，用普通的TVS 陣列都可以勝任。

 

在選擇 TVS管時(shí)，必須注意以下幾個(gè)參數的選擇：

 

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(shí)，低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì )發(fā)生雪崩的。當TVS 流過(guò)規定的1mA 電流(IR)時(shí)，加于TVS 兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標準值的離散程度，可把VBR分為5%和10%兩種。對于5%的VBR來(lái)說(shuō)，VWM=0.85VBR；對于10%的VBR 來(lái)說(shuō)，VWM=0.81VBR。為了滿(mǎn)足IEC61000-4-2 國際標準，TVS管必須達到可以處理最小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(shí)可承受的電壓，此電壓應大于或等于被保護電路的正常工作電壓，否則二極管會(huì )不斷截止回路電壓；但它又需要盡量與被保護回路的正常工作電壓接近，這樣才不會(huì )在TVS 工作以前使整個(gè)回路面對過(guò)壓威脅。當這個(gè)額定反向關(guān)斷電壓VWM 加于TVS 的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過(guò)它的電流應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。當持續時(shí)間為20mS 的脈沖峰值電流IPP 流過(guò)TVS 時(shí)，在其兩端出現的最大峰值電壓為VC。VC、IPP 反映了TVS 的浪涌抑制能力。VC 與VBR 之比稱(chēng)為箝位因子，一般在1.2~1.4 之間。VC 是二極管在截止狀態(tài)提供的電壓，也就是在ESD 沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓，它不能大于被保護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(shí)的峰值脈沖電流。對于手持設備，一般來(lái)說(shuō)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、持續時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且，TVS 所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復的，器件規定的脈沖重復頻率(持續時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%。如果電路內出現重復性脈沖，應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 是數據接口電路選用TVS 的重要參數。電容對于數據/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度，因此需要根據回路的特性來(lái)決定所選器件的電容范圍。

 

PCB 設計時(shí)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 防護問(wèn)題，而不是在板子出來(lái)后才加以修正。加TVS diode 絕對是簡(jiǎn)單而實(shí)用的防ESD 方式，但它還是需要在畫(huà)線(xiàn)路圖時(shí)就選好具體料號或封裝，并在PCB 上留好位置，一旦在測試當中沒(méi)辦法通過(guò)時(shí)就可以把它加上再測，當然，如果不加TVS 也能通過(guò)那就更好了。如果沒(méi)留位置且測試通不過(guò)，這是件麻煩事。TVS 應用時(shí)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(méi)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 布局前的導線(xiàn)長(cháng)度應該減到最小，因為快速(0.7ns)ESD 放電電流在電感性布線(xiàn)上感應出很高的電壓尖峰，影響ESD 保護的性能。

 

另外，快速ESD 脈沖可能在電路板上相鄰(平行)導線(xiàn)間產(chǎn)生感應電壓。如果上述情況發(fā)生，由于將不會(huì )得到保護，因為感應電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達IC 的路徑。因此，被保護的輸入線(xiàn)不應該被放置在其它單獨、未受保護的走線(xiàn)旁邊。推薦的ESD 抑制器件PCB 布局方案應該是：應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。圖一是PCB 布局的建議.走線(xiàn)時(shí)，盡可能縮短高頻元器件之間的連線(xiàn)，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾；輸入輸出端用的導線(xiàn)應盡量避免相鄰平行。最好加線(xiàn)間地線(xiàn)，以免發(fā)生反饋藕合。圖二是布線(xiàn)時(shí)的優(yōu)化建議。對于便攜式設備來(lái)說(shuō)，各類(lèi)集成電路的復雜性和精密度的提高使它們對ESD 也更加敏感，以往的通用回路設計也不再適合。合理的PCB 布局最重要的是要在使用TVS管保護ESD 損害的同時(shí)避免自感。ESD 設計很可能會(huì )在回路中引起寄生自感，會(huì )對回路有強大的電壓沖擊，導致超出IC的承受極限而造成損壞。

 

負載產(chǎn)生的自感電壓與電源變化強度成正比，ESD 沖擊的瞬變特征易于誘發(fā)高強自感。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 和被保護線(xiàn)路之間的回路，以及由接口到TVS 的通路等所有因素。所以，TVS 器件應與接口盡量接近（直接就近瀉放ESD 干擾，避免串入后續電路），與被保護線(xiàn)路盡量接近（畫(huà)版時(shí)原則上要靠近被保護的芯片），這樣才會(huì )減少自感耦合到其它鄰近線(xiàn)路上的機會(huì )。

 

在電路板設計中還應注意以下幾點(diǎn)：

1．避免在保護線(xiàn)路附近走比較關(guān)鍵的信號線(xiàn)；

2．盡量將接口安排在同一個(gè)邊上；

3．避免被保護回路和未實(shí)施保護的回路并聯(lián)；

4．各類(lèi)信號線(xiàn)及其饋線(xiàn)所形成的回路所環(huán)繞面積要盡量小，必要時(shí)可考慮改變信號線(xiàn)或接地線(xiàn)的位置；

5．將接口信號線(xiàn)路和接地線(xiàn)路直接接到保護器件上，然后再進(jìn)入回路的其它部分；

6．將復位、中斷、控制信號遠離輸入/輸出口，遠離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約線(xiàn)路板上的空間，而且減少了由于回路復雜可能誘發(fā)的寄生性線(xiàn)路自感的影響。

 

ESD 分析：

1. 傳導路徑：在傳導入口放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的，而是直接去看那些被干擾到的IC。打靜電后，IC 不會(huì )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(wèn)題不？試著(zhù)用示波器去看看靜電從外殼傳導到這些pin 腳后實(shí)際殘留的波形，這更方便我們分析。然后在干擾的pin 腳處放保護該IC。