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揭開tvs管在便捷設(shè)備中的詳細(xì)應(yīng)用
便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)十分重要，而TVS管是一種十分有效的保護(hù)器件，與其它器件相比有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但在應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)針對(duì)不同的保護(hù)對(duì)象來選用器件，因?yàn)椴煌亩丝诳赡苁艿降撵o電沖擊有所不同，不同器件要求的保護(hù)程度也有不同。要注意相應(yīng)的參數(shù)鑒別以及各個(gè)生產(chǎn)商的不同設(shè)計(jì)。下面就由立深鑫電子在便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)中如何應(yīng)用TVS管器件。
便攜式設(shè)備如筆記本電腦、手機(jī)、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(hù)器件，可能會(huì)造成機(jī)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(rèn)為是產(chǎn)品質(zhì)量問題而損壞企業(yè)信譽(yù)。
一般情況下，對(duì)此類設(shè)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(hù)，如鍵盤、電源接口、數(shù)據(jù)口、I/O口等等?，F(xiàn)在比較通用的ESD標(biāo)準(zhǔn)是IEC61000-4-2，應(yīng)用人體靜電模式，測(cè)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(xù)時(shí)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(gè)微焦?fàn)?，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(huì)受到損傷。傳統(tǒng)的保護(hù)方法已不再普遍適用，有的甚至還會(huì)造成對(duì)設(shè)備性能的干擾。
可用于便攜式設(shè)備的ESD保護(hù)器件有很多，例如設(shè)計(jì)人員可用分立器件搭建保護(hù)回路，但由于便攜設(shè)備對(duì)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(hù)，它們的特性及表現(xiàn)各有不同，TVS管在此類應(yīng)用中的獨(dú)特表現(xiàn)為其贏得了越來越大的市場(chǎng)。
TVS管最顯著的特點(diǎn)一是反應(yīng)迅速，使瞬時(shí)脈沖在沒有對(duì)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(duì)TVS管設(shè)計(jì)的改進(jìn)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(shí)有更理想的性能表現(xiàn)(圖1)。
TVS管的優(yōu)勢(shì)
TVS管與齊納二極管：與傳統(tǒng)的齊納二極管相比，TVS管P/N結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)使TVS具有更強(qiáng)的高壓承受能力，同時(shí)也降低了電壓截止率，因而對(duì)于保護(hù)手持設(shè)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(shè)計(jì)人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD保護(hù)，不但便宜而且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，但這類器件對(duì)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(dá)到60%，而TVS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(gè)端口必須至少能夠承受8kV接觸沖擊(IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn))，可見使用TVS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(jié)構(gòu)器件(MLV)也可以進(jìn)行有效的瞬時(shí)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(dá)最初中止電壓的2～3倍，這種特性適合用于對(duì)電壓不太敏感的線路和器件的保護(hù)，如電源回路。而TVS管具有更好的電壓截止因子(圖2)，同時(shí)還具有較低的電容，這一點(diǎn)對(duì)于手持設(shè)備的高頻端口非常重要，因?yàn)檫^高的電容會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸，造成失真或是降級(jí)。TVS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(hù)等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設(shè)計(jì)。
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(xiàn)有很多將EMI過濾和RFI防護(hù)等功能與TVS管集成在一起的器件，不但減少設(shè)計(jì)所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免PCB板上布線時(shí)易誘發(fā)的伴生自感。
TVS管的參數(shù)
1．為了滿足IEC61000-4-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，TVS管必須達(dá)到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，有的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠商在自己的產(chǎn)品上使用了更高的抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于某些有特殊要求的便攜設(shè)備應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以按需要挑選器件。
2．Vwm這是TVS管在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓，此電壓應(yīng)大于等于被保護(hù)電路的正常工作電壓，否則TVS管會(huì)不斷截止回路電壓；但它又需要盡量與被保護(hù)回路的正常工作電壓接近，這樣才不會(huì)在TVS管工作以前使整個(gè)回路面對(duì)過壓威脅。
3．Vc這是TVS管在截止?fàn)顟B(tài)提供的電壓，也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過TVS的電壓，它不能大于被保護(hù)回路的可承受極限電壓，否則器件面臨被損傷的危險(xiǎn)。
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(duì)于手持設(shè)備，一般來說500W的TVS就足夠了。
5．電容對(duì)于數(shù)據(jù)/信號(hào)頻率越高的回路，TVS管的電容對(duì)電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號(hào)強(qiáng)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。高頻回路一般選擇電容應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容TVS，電容不大于3pF)，而對(duì)電容要求不高的回路電容選擇可高于40pF。
常見手持設(shè)備ESD保護(hù)對(duì)TVS管的要求：
音頻輸入/輸出：音頻回路的信號(hào)速率比較低，對(duì)器件電容的要求不太高，100pF左右都是可以接受的。有的設(shè)計(jì)中將耳機(jī)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管，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(hù)。
按鍵/開關(guān)：這些回路的數(shù)據(jù)率很低，對(duì)器件的電容沒有特殊要求，用普通的TVS管陣列都可以勝任。
數(shù)據(jù)視頻/USB2.0：數(shù)據(jù)率高達(dá)480Mbps，有的視頻數(shù)據(jù)率達(dá)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)線路的電容(可低于3pF)，達(dá)到高速率回路的要求。
SIM卡/天線：有專門為此類端口設(shè)計(jì)的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護(hù)于一個(gè)芯片的器件，充分體現(xiàn)了片式器件的無限集成方案。
電源/充電口：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和過流保護(hù)功能的器件。
在針對(duì)不同用途選擇器件時(shí)，要避免使器件工作在其設(shè)計(jì)參數(shù)極限附近，還應(yīng)根據(jù)被保護(hù)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(duì)于有效發(fā)揮保護(hù)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(dāng)首先考慮。
眾多半導(dǎo)體廠商提供了多種不同的TVS管封裝形式，尤其是像SOT23和SC-70，以及與芯片同等大小的倒裝芯片之類的微型封裝，在板上只占約4.8mm2的位置，卻可以同時(shí)保護(hù)多個(gè)線路。最近的許多新產(chǎn)品更是適應(yīng)便攜設(shè)備高集成度、小型化要求，將EMI/RFI/ESD保護(hù)集成在一個(gè)器件中，不但可以有效縮小空間，還大大減少了成本，降低了器件采購(gòu)成本和加工成本，對(duì)于同時(shí)需要這幾種保護(hù)功能的端口來說，可謂設(shè)計(jì)者的首選。
