中心議題：

• 電路保護的必要性-電氣威脅
• 保護器件的測試標準
• 保護器件比較
• ONSEMI ESD保護技術(shù)的演進(jìn)
• ESD保護器件實(shí)例

電路保護的必要性-電氣威脅

靜電放電(ESD)

在我們日常生活中靜電放電(ESD)是相當常見(jiàn)的。比如走在地毯上或者觸摸門(mén)上的把柄就會(huì )感覺(jué)到靜電的嗖嗖聲沖擊。當你在干衣機里拿取洗好的衣服，就經(jīng)常會(huì )伴隨著(zhù)干脆的聲音， 這個(gè)你聽(tīng)到或者感覺(jué)到的聲響就是靜電放電的結果。當不同材料互相分離時(shí)電子會(huì )發(fā)生轉移，物質(zhì)分離后會(huì )產(chǎn)生靜電荷，這個(gè)過(guò)程就叫做摩擦起電。一些物體，比如說(shuō)干皮膚和羊毛，都會(huì )變得帶正電荷；或者其它如聚酯，乙烯基帶負電荷。

當一個(gè)摩擦起電的物體釋放它的電荷突然給另一個(gè)不同電位的物體時(shí)，靜電放電效應就會(huì )發(fā)生。摩擦起電的物體之間的電位差可以達到很高，一個(gè)人的靜電放電效應的檢測極限電壓大約為3,000 V。一個(gè)強烈的ESD攻擊往往是這個(gè)電壓數字的好幾倍。

閃電

閃電通常是危險的。它的平均電流峰值是20 kA并且可高達150 kA。一次閃電可以持續20-200毫秒，而通常閃電會(huì )是連續閃幾次的。閃電也是常見(jiàn)的，在任何一個(gè)時(shí)間都有2,000個(gè)帶閃電的暴風(fēng)雨在發(fā)生，而每天出現的暴風(fēng)雨也有5,000次。閃電中的電應力除直接撃中建筑物, 還可以不同方式進(jìn)入建筑物的電氣系統。閃電撃中架空的主輸電線(xiàn)可以直接把電流偶接進(jìn)入建筑物中的交流點(diǎn)導體中去。附近小山上發(fā)生的閃電可以迫使強大的電流在地面上流動(dòng)。這些電流將影響建筑物附近的地電位。同時(shí)這種情況可會(huì )由于地面下面的設施比如接地到建筑物中的水氣管道等而變差。在建筑物旁的旗桿的閃電可以在建筑物內的導體比如電話(huà)或連接個(gè)人電腦的電線(xiàn)中誘發(fā)電流。閃電帶來(lái)的應力可以以各種方式進(jìn)入建筑物說(shuō)明了在多種地點(diǎn)中安裝浪涌保護的必要性。浪涌保護需安裝在建筑物的交流電源及電話(huà)服務(wù)的進(jìn)入點(diǎn)。而在一些比較敏感的電子設施比如個(gè)人電腦或者娛樂(lè )中心安裝更多的浪涌保護設備也是物有所值。

電力線(xiàn)浪涌

電力交流電網(wǎng)為我們的家和辦公室提供交流電源。電力公司致力于在穩定的電壓和頻率提供電力，但是即便是最費盡心血的安排也不能防止一些異常的事件。電壓的強弱會(huì )受影響于交流電網(wǎng)上負載的變化。大多數的電氣設備都被設計成可以在一個(gè)合理的輸入電壓范圍內工作，但總會(huì )有出現意外情況的電平，特別是由于大電流開(kāi)關(guān)所引起的瞬變現象。一個(gè)電感性負載里電流的變化將會(huì )引起一個(gè)電壓峰值，這個(gè)峰值可以達到幾百甚至幾千伏的電壓。它的持續時(shí)間可能很短，但是它卻大大超過(guò)了電氣系統的存續，除非設備中含保護器件。

保護器件的測試標準

系統所經(jīng)歷的電氣應力是各種各樣的: 有納秒上升時(shí)間且持續數以10計的安培電流的靜電放電(ESD)應力；有微秒上升時(shí)間且持續數以萬(wàn)計的安培電流的閃電應力。對可以想到的現實(shí)世界中的每一種應力都進(jìn)行產(chǎn)品測量是不可能的。所以標準機構制定了針對每個(gè)特定的應力威脅制定了專(zhuān)門(mén)的測試標準。這些標準以電壓和電流波形的形式來(lái)表示應力。最常見(jiàn)的一種應力波形就是圖示的雙指數波形。典型的電壓波型是被理解成開(kāi)路，而典型的電流波型是被理解為短路。通常一個(gè)波形的參數包括峰值電壓、峰值電流、上升時(shí)間(通常是峰值時(shí)間的10%到90%)以及衰減時(shí)間(峰值時(shí)間的50%)。標準同樣規定了如何把應力波形應用到實(shí)際的被測試的設備以及通過(guò)或者未通過(guò)測試的準則。這就確保了測試結果可以被任何一個(gè)做此種測試的人重現出來(lái)，并且通過(guò)這個(gè)測試的系統可以可靠地工作。
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保護器件簡(jiǎn)介

市場(chǎng)上有一系列對電子系統起保護作用的產(chǎn)品。下表簡(jiǎn)單描述了各種產(chǎn)品的特征。

氣體放電電子管GDT:通常是充滿(mǎn)氖、氬氣體混合物的陶瓷品以及兩個(gè)或更多個(gè)電極組成的。當電極的電壓超過(guò)一個(gè)額定值，電子管就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電弧，提供一個(gè)低阻抗電流通路。放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級，起泄放雷電暫態(tài)過(guò)電流和限制過(guò)電壓作用。電壓范圍從75V~3500V 。

壓敏電阻MOV:通常由布滿(mǎn)氧化鋅顆粒的陶瓷組成,在低電流電壓下，壓敏電阻具有高阻抗,但是在更高的電壓電流下，阻抗會(huì )急劇地下降。使用壓敏電阻時(shí)之前必須加裝保險絲，壓敏電阻一但擊穿短路是不可恢復的，必須更換。正常的壓敏電阻用萬(wàn)用表測量是無(wú)窮大的。

聚合體PESD 器件:是在聚合物中嵌入導體、半導體及絕緣粒子構成的高分子壓敏材料。其電阻隨兩端電壓呈非線(xiàn)性變化。也就是說(shuō)，當施加在其兩端的電壓小于某個(gè)特定電壓值時(shí)，PESD呈現為絕緣體，電阻很大，不影響電路的正常工作;當施加在兩端的電壓大于某個(gè)特定電壓值時(shí)，PESD轉變?yōu)閷w，電阻很小，可以短時(shí)間大電流放電，因此可與被保護IC并聯(lián)使用。同時(shí)這種PESD靜電防護元件具有自恢復性，即過(guò)電壓放電之后又恢復到常態(tài)，不必更換，可有效阻止電子產(chǎn)品的靜電破壞并降低維護成本。PESD保護器件具有極低的電容(約為0.2 pF)、低的泄漏電流(這在低功耗便攜式設備中尤為重要)、快速響應時(shí)間(<1 ns)和低鉗位電壓(<100 V)等優(yōu)點(diǎn); 在多次電涌之后(多達1000次)，這種器件的低觸發(fā)電壓和低鉗位電壓仍然可以有效保護敏感的電子器件。

晶閘管浪涌保護器件TSPD:基于一對雙極性晶體管。當雙極性晶體管被觸發(fā)時(shí)，它們呈現連續的低阻抗狀態(tài)。晶閘管本質(zhì)上是單向的過(guò)壓保護器件?；镜木чl管已經(jīng)衍生出了多種雙向和單向的產(chǎn)品。

瞬態(tài)電壓抑制器(TVS):是基于雪崩二極管和穩壓二極管。單一的二極管本質(zhì)上是單向的鉗位設備。

保護器件比較

保護方式-嵌位/消弧

鉗位保護器件：當一個(gè)激勵突發(fā)時(shí)，鉗制電位到一定值達到保護的目的；如TVS管

消弧保護器件：當一個(gè)激勵觸發(fā)時(shí)，通常是產(chǎn)生一個(gè)短路通道來(lái)實(shí)現保護目的。如晶閘管浪涌保護器件TSPD
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消弧保護器件在保護應用中是非常有效。消弧保護器件有著(zhù)非常低的導通壓降，這樣可以使得其電壓低于敏感電子器件的臨界電位；并且由于過(guò)壓保護器件本身超低的功耗，其可以承受很大的電流而不會(huì )由于大電流對自己損壞。我們在用消弧保護器件的時(shí)候必須小心?？梢杂脕?lái)維持消弧保護器件的最低的電流和電壓點(diǎn)是一個(gè)很重要的參數并且我們經(jīng)常稱(chēng)之為保持點(diǎn)(Holding
Point），如圖所示。如果受保護的電氣節點(diǎn)可以提供電壓和電流在保持點(diǎn)的水平，在電氣應力消除后一個(gè)消弧保護器件也可能不會(huì )關(guān)閉。仔細選擇消弧保護器件是必須的，或者預先做好準備，以保證在應力消除時(shí)關(guān)閉保護和在正常操作期間不打開(kāi)。

電壓鉗位保護器件在應力時(shí)不會(huì )發(fā)生不關(guān)閉的問(wèn)題，但是他們也要仔細選擇。以反向偏置方向保護的電壓鉗位保護器件自身內部會(huì )產(chǎn)生相當可觀(guān)的功耗。鉗位保護器件在導通狀態(tài)時(shí)需要非常低的動(dòng)態(tài)阻抗，以保證在傳輸大電流時(shí)，電壓不會(huì )超過(guò)敏保護形式-初級和次級保護

初級和次級保護的應用非常普遍。這個(gè)概念在電信產(chǎn)業(yè)中用于閃電和浪涌保護，也在先進(jìn)集成電路技術(shù)中做靜電放電(ESD)保護。初級的保護元件較貼近應力源，主要目的是用于承受大部分的電流應力，而次級保護元件則非常貼近敏感的電路元件，在最需要的地方提供保護。

需要兩種形式的保護的有多項因素。在一條數據線(xiàn)當中，比如電話(huà)線(xiàn)，浪涌保護最重要的作用是避免災難性的損失，如火災或者觸電死亡。這就在樓宇入口有一個(gè)保護元件，即初級保護。初級保護的元件必須非常的可靠并且能夠經(jīng)受得住很大的電流。初級保護避免災難性損失的能力并不保證瞬變電壓不通過(guò)初級保護，這些電壓雖不能引起火災或者觸電死亡，但是足以破壞敏感元件。安置在敏感元器件的次級保護就是起到了這個(gè)作用。次級保護元件必須很快地開(kāi)啟來(lái)保護從初級通過(guò)的瞬變電壓。次級保護元件也可能在給定受保護的系統根據客戶(hù)的保護需求來(lái)配置。硅保護產(chǎn)品，由于他們的快速導通和低導通電壓優(yōu)勢, 作為次級保護元件最好不過(guò)。
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ONSEMI保護器件

ONSEMI ESD保護技術(shù)的演進(jìn)

硅瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管的傳統片外保護解決方案提供低ESD鉗位電壓和快響應時(shí)間，但它們的高電容限制了其在高速應用中的使用。為了克服傳統硅TVS二極管的這些局限，安森美半導體運用突破性的工藝技術(shù)，將超低電容二極管和大功率TVS二極管集成到單個(gè)裸片上，能夠用作高性能片外ESD保護解決方案。這新的集成型ESD保護技術(shù)平臺既保留了傳統硅TVS二極管技術(shù)的卓越鉗位和低泄漏性能，又將電容從65 pF大幅降低至0.5 pF。
ONSEMI音頻信號濾波帶ESD保護
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ONSEMI數據信號濾波帶ESD保護

ONSEMI ESD保護二極管陣列

ONSEMI 瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)
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ONSEMI晶閘管浪涌保護器件TSPD簡(jiǎn)介

晶閘管浪涌保護器件Thyristor Surge Protection Devices (TSPD)具有快速開(kāi)關(guān)能力和高可靠性，可保護電信和數據通信設備。在待機模式，TSPD的關(guān)斷阻抗高，對所保護的電路表現出實(shí)際上的斷開(kāi)狀態(tài)。當電壓超過(guò)臨界電壓時(shí)，TSPD從高關(guān)斷阻抗轉變成低導通阻抗，吸收浪涌電流。在分支和環(huán)狀電路發(fā)生瞬態(tài)浪涌期間，TSPD會(huì )在分支和環(huán)狀電路產(chǎn)生短路跨接，直到瞬態(tài)電流中斷或減小到保持電流以下，器件會(huì )自動(dòng)復位。TSPD采用消弧電路開(kāi)關(guān)及固態(tài)閘流管技術(shù)，保護靈敏度達納秒級，消除了瞬態(tài)引起的電壓擊穿。它們可承受高達100A的浪涌電流，沒(méi)有磁滯現象和熱耗。這些閘流管的最小電容可減小高速數據線(xiàn)路中的信號衰減。ONSEMI目前有MMT系列，NP系列，NP-SAMC系列,NP-SBMC系列晶閘管浪涌保護器件, MMT系列可被NP系列替代，NPxxSAMC系列，NPxxSBMC系列是新一代超低電容TSPD，廣泛應用于電信設備。



ONSEMI晶閘管浪涌保護器件(TSPD)主要參數



ONSEMI晶閘管浪涌保護器件NP系列

特點(diǎn)：
1. 可承受高達100A的浪涌電流
2. 峰值斷態(tài)電壓可達320V
3. 廣泛應用于電信設備
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ONSEMI晶閘管浪涌保護器件NPxxSAMC系列

特點(diǎn)：
1.超低電容
2.低的漏電流
3.浪涌電流高達50A
4.精確的開(kāi)啟電壓
5.低的過(guò)沖電壓

ESD保護器件實(shí)例