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ESD器件防护工作原理

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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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    本帖最后由 lifree 于 2020-1-21 15:01 编辑
    7 ~. o. h# N% P3 E* a& h. t9 d; U5 o. S6 s; Y6 y' n7 r2 t
      这里介绍手机中比较常用的TVS管和压敏电阻。
    & U0 s0 e: c7 {+ K+ f  . [3 l5 u& L; E  e" V5 H
      一、ESD器件的主要性能参数
    / y7 _% m# I5 L' x+ @  
    6 A4 y8 ?, q+ h* P$ q  1、最大工作电压(Max Working Voltage)+ i2 z. V. |# K1 ]
      ; N; u$ j; C. [
      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。0 P* M1 A( a3 r9 E9 |
      
    * O7 [8 G- m4 ]& g- D$ L( D3 x  2、击穿电压(Breakdown Voltage)
    1 G: p6 q' w3 B" B  
    # \; g5 e3 g/ {0 w' N! R  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。
    0 o1 a/ b2 ^3 B* t  9 u( K) {; [4 D. L% l: W& o8 R8 ]
      3、钳位电压(Clamping Voltage)7 C2 v3 T7 e0 ~2 t
      + v4 Z+ q' U% r; t* Y) c
      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。
    + h6 E& k/ V; {. h9 C, P& g  
    ' ^+ Q6 G) J9 m' d5 y( j9 f4 m2 @  4、漏电流(Leakage Current)
    5 q- u# p8 n# F" |" O) R( z& Q  
    0 s. D, C3 s8 x. H# M/ x& Q* W! [  _  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。
      ]8 B8 M0 g% _. B" Q" D  2 o# S2 P. C+ C7 V
      5、电容(Capacitance)9 x' h% v  K2 S' A
      
    5 n2 \! F9 ^/ }9 x+ w( g  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)
    / w* d+ U( b1 z# ^0 T  
    & p9 t5 [7 _4 |4 M& m$ u' h  6、响应时间(Response Time)
    0 J' F+ {- }+ d; w( v$ T- J  
    7 M; n) ~* W2 m: ?; p) v8 [1 m* x  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。
    2 i2 _' ]8 D6 p% \4 g4 a3 Z  
    / A1 O( |' b3 S! l3 g& \  7、寿命(ESD Pulse Withstanding)
    5 I3 P$ {4 G# O# V- B  0 M& Q( T, e( [# Q
      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。
    , t- t7 f" ?9 ]8 |5 y3 S7 E& r  
    # \2 }( i+ l9 n  二、TVS管(硅半导体)
    2 S5 P4 h* G% O. L* i$ H3 J6 k8 m  " n* s& t# _+ J" o
      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。
    2 W' B" |0 N0 x8 C( p) I+ d# m/ u  
    : I3 v* {- F4 ?$ h8 V- {+ Z  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:& u9 y; V2 k* s) m& D( t- D$ y
      
    5 |2 ^# ]) \+ P; L# w0 m6 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。  n( ~7 `1 D% r2 T& E
      $ @4 Z8 ?+ h: Q6 |/ T, g
      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。
    . c$ M/ L# H# s" d9 T- [/ N9 v8 }7 g) m  
    # O/ w, [  G! g9 }+ r  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。$ f2 e+ h. X, `- F4 N- O8 V+ x" G
      
    ( h3 L: f; \$ l9 Q5 A  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。
    4 ~( f; G# P1 Q" }5 j  
    8 w- u1 f* ?* G, `8 l1 t  ⑤正向导通电压VF:TVS通过正向导通电流IF的压降。7 w1 H3 B( ~/ E3 g2 f' e( i! u
      
    - @( Q: p( x: v, S4 I  除上述性能参数外,TVS管还有一个关键参数:P-N结电容Cj。
    3 G0 [9 m% {! I" u  

    " i  n4 Y+ n" N

    8 n# H/ A0 k, F: Q  三、压敏电阻(MLV/MOV)
    4 u2 G: ?5 b' l  8 b# ^* P& z2 {9 W, A+ K. u$ X
      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。( K% x5 s& u' T; f. {
      . k! m' e' }4 f9 t+ Q
      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。
    # ~" p" h- ]  ~1 N  
    $ Y& N( [' e6 i5 H2 o; ]* p
      四、TVS管和压敏电阻应用场合
    3 g. }8 k1 W% j7 l4 V( R4 n4 r- g  
    . D! \7 t3 M! O( b; `0 q  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:
    . R% C. U/ a3 \$ l7 [% O  . s# G6 i* B# ?, `( V0 ^
      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。1 n3 b1 G6 {6 g: P
      2 F3 q5 G0 ^* g& v1 M$ [' 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。
      r7 {/ G) T# n  
    # p, N0 X- E" {7 ]: ~; D4 n7 J  3、对于两者都适合的场合,考虑价格因素,选用压敏电阻8 N8 Y/ U7 a3 A; x! o9 ?

    5 L' X& }/ q/ O4 r『本文转载自网络,版权归原作者所有,如有侵权请联系删除』
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