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EDA365大咖直播--《用数据说话--HFSS仿真实操案例讲解》
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ESD器件防护工作原理

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    2019-12-2 15:27
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    [LV.1]初来乍到

    发表于 2020-1-21 11:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    x
    本帖最后由 lifree 于 2020-1-21 15:01 编辑 3 S! `: b+ g3 U, i' {6 N/ e

    7 f0 Q$ W' J9 u  n4 j3 G: {  这里介绍手机中比较常用的TVS管和压敏电阻。
    , ^3 S% ^" W* I6 v0 |7 V/ ?  
    & x9 q7 X8 E& L- U0 E% g) F% S% `  一、ESD器件的主要性能参数1 z) i3 A. {( c- Q+ J# M
      7 \" |; U& n3 l4 r$ ~
      1、最大工作电压(Max Working Voltage)4 a! D6 L6 W6 D8 q, n1 V, t4 y
      9 C! J; m6 V! {3 L( b# z- o
      允许长期连续施加在ESD保护器件两端的电压(有效值),在此工作状态下ESD器件不导通,保持高阻状态,反向漏电流很小。) v' B; R! v- x9 x, K
      / E  f: [7 i8 f5 Y6 t7 |
      2、击穿电压(Breakdown Voltage)
    ; [% L8 n/ L0 N% Y# s0 F  s  
    ! I4 z1 ]4 O. L5 P) d  ESD器件开始动作(导通)的电压。一般地,TVS管动作电压比压敏电阻低。6 |. e5 x% ^6 B* }8 Z+ e7 e, f
      / k5 q  {2 S$ P3 ~: S$ u/ k+ O/ j
      3、钳位电压(Clamping Voltage)* ~  n, x# `3 U6 u
      8 C+ B& }+ O7 A$ I, `
      ESD器件流过峰值电流时,其两端呈现的电压,超过此电压,可能造成ESD永久性损伤。9 p( `  D; ^1 B: a( b2 H. ^
      
    3 g5 s& f+ N% `9 t3 p8 J  4、漏电流(Leakage Current)2 P* L$ A; l0 G$ v  P
      $ v3 G% ~' R4 o$ ]3 U
      在指定的直流电压(一般指不超过最大工作电压)的作用下,流过ESD器件的电流。一般地,TVS管的反向漏电流是nA级,压敏电阻漏电流是μA级,此电流越小,对保护电路影响越小。
    # ^" J. h. f4 F  
    ! n& S  b" y& e  \8 ^- E" I  5、电容(Capacitance)
    7 r  e: I& B8 r8 m% g  
    * B6 B3 v* E& \- ~. o  在给定电压、频率条件下测得的值,此值越小,对保护电路的信号传输影响越小。比如硅半导体TVS管的结电容(pF级),压敏电阻的寄生电容(nF级)& K2 o# ^- F3 K' Z
      " f, ~' w2 x1 ], G: i* x8 O
      6、响应时间(Response Time)
    % s+ @  X7 X& c, b+ a  6 b0 R1 B3 }' @0 v7 h# b2 p
      指ESD器件对输入的大电压钳制到预定电压的时间。一般地,TVS管的响应时间是ns级,压敏电阻是μs级,此时间越小,更能有效的保护电路中元器件。
    ; ~6 O# C# y" Z0 r- S2 o* W/ m  
    ) j0 L8 X6 O  G. V& \( z  7、寿命(ESD Pulse Withstanding)
    + a/ [3 I! I7 Q3 l6 v' Y  
    ( H9 C( P9 L/ r% ~% }7 I  TVS技术利用的是半导体的钳位原理,在经受瞬时高压时,会立即将能量释放出去,基本上没有寿命限制;而压敏电阻采用的是物理吸收原理,因此每经过一次ESD事件,材料就会受到一定的物理损伤,形成无法恢复的漏电通道,会随着使用次数的增多性能下降,存在寿命限制。- ~' i2 c! Y" O9 v- Y' F. D
      
    ! U+ Y$ {, h! P# ~+ n7 Z  二、TVS管(硅半导体)$ F) G: Q) h0 U% l, `  O2 `
      ) @  W! B% P# m/ B
      瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor)简称TVS,是一种二极管形式的高效能保护器件,利用P-N结的反向击穿工作原理,将静电的高压脉冲导入地,从而保护了电器内部对静电敏感的元件。以TVS二极管为例:当瞬时电压超过电路正常工作电压后,TVS二极管便发生雪崩,提供给瞬时电流一个超低电阻通路,其结果是瞬时电流通过二极管被引开,避开被保护器件,并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。当瞬时脉冲结束以后,TVS二极管自动回复高阻状态,整个回路进入正常电压。TVS管的失效模式主要是短路,但当通过的过电流太大时,也可能造成TVS管被炸裂而开路。
    , h5 ?: D. a, r  0 }8 k3 V- E' z+ T/ e/ ~
      TVS管有单向和双向两种,单向TVS管的特性与稳压二极管相似,双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联,其I-V曲线特性图见图1,图中性能参数注解:& Y& ~9 W9 X! A
      4 p8 _& }! S* @' ^) N) d
      ①反向断态电压(截止电压) VRWM与反向漏电流IR:反向断态电压(截止电压)VRWM表示TVS管不导通的最高电压,在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。. ^2 Z, N) B' R" `' a! s
      + b% _) B+ W  T! M4 T
      ②击穿电压VBR:TVS管通过规定的测试电流IT时的电压,这是表示TVS管导通的标志电压。4 _' [0 q5 J. j) v) B
      0 q, D+ e8 n, e5 R5 E' L  k
      ③脉冲峰值电流IPP:TVS管允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流(8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右,8/20μs是定义IPP脉冲波电流,请参考下图2),超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中,击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。$ I0 @2 `4 m% ?
      
    $ P1 z. N% q+ f  ④最大箝位电压VC:TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。
    ( X2 i% v+ Y9 }" H5 r4 H) l% i/ m  
    , k2 n; J. @7 K5 \# K4 E  ⑤正向导通电压VF:TVS通过正向导通电流IF的压降。, q3 p' `* x9 r: I' d
      % A" U9 g  S: P+ R. ~! Z
      除上述性能参数外,TVS管还有一个关键参数:P-N结电容Cj。; q' z/ [! F( [0 \2 o/ E, R
      
    . R2 C5 c  U+ h2 k! a8 z" \

    + z' F* u9 I& R0 u, n) V7 r0 o9 R  三、压敏电阻(MLV/MOV)- w: y/ d! T: d$ W/ r' i! N
      & l4 q( \. |# ?+ C
      多层压敏电阻(MLV)及金属氧化物压敏电阻(MOV)利用ZnO等压敏陶瓷材料的压敏特性,实现了对静电的防护,压敏电阻器的电阻体材料是半导体,当施加于压敏电阻器两端电压小于其压敏电压,压敏电阻器相当于10MΩ以上绝缘电阻;当在压敏电阻器两端施加大于压敏电压的过电压时,压敏电阻器的电阻急剧下降呈现低阻态,从而把电荷快速导走,有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏。压敏电阻采用的是物理吸收原理,因此每经过一次ESD事件,材料就会受到一定的物理损伤,形成无法恢复的漏电通道,会随着使用次数的增多性能下降,存在寿命限制问题。% O4 C* d! D1 F# R7 |1 g% C6 P. m
      
    . ], F' o+ _0 `( _/ C. E" o  压敏电阻支持双向保护,它的伏安特性是完全对称的,见图,VW:正常工作电压(Working Voltage)。IL:最大Vw工作条件下的漏电电流(Leakage Current)。压敏电阻的失效模式主要是短路,但当通过的过电流太大时,也可能造成阀片被炸裂而开路。, H/ F+ Q  N! W/ A" x" |" \
      
    4 G. g0 X+ }) s- b; L
      四、TVS管和压敏电阻应用场合
      f5 d5 X9 I2 _6 T& \  
    2 n" ]4 u( `$ H6 f- C7 z( C  通过对TVS管和压敏电阻的性能对比,根据各自的优点,适合应用场合列下:
    # X! b' u: e, v4 v  
    9 o( H( Z* G. C7 t& y+ ]  1、与压敏电阻比较,TVS管具有响应时间快、钳位电压偏差小、结电容小、反向漏电流小和无寿命限制等优点,因而较适合于信号质量要求高、线漏电要求小等接口的ESD防护,比如高速数据信号传输线、时钟线等。5 d1 P# d( G* I
        k9 o6 _1 G; H2 g5 @2 X
      2、与TVS管比较,压敏电阻的击穿电压VBR和箝位电压VC都相对高,通流能力相对强,具有更强的浪涌脉冲吸收能力,因而较适合于电源接口的ESD或浪涌防护。
    ) Y7 T; `7 u% {4 x3 n  - @" c8 y; Q: I+ w1 i* S
      3、对于两者都适合的场合,考虑价格因素,选用压敏电阻' q4 g5 {  W! h2 T
    % Q: J1 c: M# X, N
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