便攜式設(shè)備的ESD靜電保護十分重要，而TVS瞬態(tài)抑制二極管是一種十分有效的保護器件，與其它器件相比有其獨特的優(yōu)勢，但在應(yīng)用時應(yīng)當針對不同的保護對象來選用器件，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，同時還要進行合理的PCB 布局。本文介紹在便攜式設(shè)備的ESD靜電保護中如何應(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、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器件，可能會造成機器性能不穩(wěn)定，或者損壞。更壞的情況是查不出確切的原因，使用戶誤認為是產(chǎn)品質(zhì)量問題而損壞企業(yè)信譽。
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行防靜電保護，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 標準是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爾，但卻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
可用于便攜式設(shè)備的ESD保護器件有很多，例如設(shè)計人員可用分立器件搭建保護回路，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行防護，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)上的改進使TVS具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對于保護手持設(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，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 標準)，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，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)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
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480Mbps，有的視頻數(shù)據(jù)傳輸率達到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)，達到高速率回路的要求。
4. SIM 卡數(shù)據(jù)線路保護
SIM 卡數(shù)據(jù)線路保護一直是各個公司的產(chǎn)品重點,而且專門為此類端口設(shè)計的集ESD(TVS)/EMI/RFI 防護于一個芯片的器件，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(shù)據(jù)線路保護
在音頻數(shù)據(jù)線路保護方面，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(shè)計中將耳機和麥克風(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。
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與標準值的離散程度，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 國際標準，TVS瞬態(tài)抑制二極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)時可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于或等于被保護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 是二極管在截止狀態(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，一旦在測試當中沒辦法通過時就可以把它加上再測，當然，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，因為感應(yīng)電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達IC 的路徑。因此，被保護的輸入線不應(yīng)該被放置在其它單獨、未受保護的走線旁邊。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，會對回路有強大的電壓沖擊，導(dǎo)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），與被保護線路盡量接近（畫版時原則上要靠近被保護的芯片），這樣才會減少自感耦合到其它鄰近線路上的機會。
在電路板設(shè)計中還應(yīng)注意以下幾點：
1． 避免在保護線路附近走比較關(guān)鍵的信號線；
2． 盡量將接口安排在同一個邊上；
3． 避免被保護回路和未實施保護的回路并聯(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器件上，然后再進入回路的其它部分；
6． 將復(fù)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；
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 保護該IC.
