原创（转载）TVS是优于压敏电阻的ESD解决方案

 2011-5-4 16:33  2760 5 5 分类: 通信

静电放电(ESD)会给电子设备带来破坏性的后果，但消费者对电子产品小型化和复杂功能的狂热追求正使这一问题变得更加严重。

　　首先，外形尺寸的减小将使得集成电路(IC)更容易受到ESD损坏。

　　其次，伴随功能复杂化不断增加的输入/输出连接器为ESD进入提供了路径。

　　以手机为例，扬声器、键区、扩音器、充电器插口、音量键、语音键、智能键、电池接头、配件连接端口、SIM卡等都可能成为ESD的进入点。ESD会造成手机工作异常、死机，甚至损坏手机，因而当今的设计工程师必须考虑如何为设备提供最有效的ESD保护，同时满足系统尺寸和成本的要求。

　　安森美半导体亚太区标准产品部市场营销副总裁麦满权认为，将保护器件放置在连接器或端口处是最为有效的方法，能够在ESD进入电路板之前有效抑制ESD事件的发生，这同时也是强制性ESD抑制标准IEC 61000-4-2的要求。

　　麦满权指出，有效的ESD保护已经不能完全集成到CMOS芯片当中了。这是由于半导体工艺向65nm以下转移，原来在1.5μm工艺的芯片面积上只占几十分之一(获得2kV ESD保护)的ESD保护的面积已经无法容纳于现在只有几个纳米的芯片之中。在65nm工艺下，ESD保护的面积甚至超出了整个芯片的面积，因此必须考虑其它的解决办法。

TVS与压敏电阻的性能比较

　　ESD保护元件的作用是转移来自敏感元件的ESD应力，使电流流过保护元件而非敏感元件，同时维持敏感元件上的低电压；ESD保护元件还应具有低泄漏和低电容特性，不会降低电路功能；不会对高速信号造成损害，在多重应力作用下保护元件的功能不会下降。

　　瞬态电压抑制器(TVS)、压敏电阻和聚合物是近几年发展起来的几种专用ESD保护元件。

　　其中前两种元件均采用电压钳位的方式进行保护，采用带导电粒子的聚合物则是采用消弧(crowbar)保护策略。

　　压敏电阻和聚合物支持双向保护，但TVS可支持单向或双向保护。

　　传统的压敏电阻虽然在成本上具有一定优势，但它存在的一个最大问题是体积太大，无法满足手持设备的封装要求。事实上，与压敏电阻相比，基于硅材料的TVS具有更好的钳制性能、更低的泄漏和更长的使用寿命。

　　安森美半导体分立产品部资深保护和合规专员Robert Ashton博士指出，TVS在多重应力下仍然可保持强大的性能，而压敏电阻和聚合物则会随着使用次数的增多性能下降。

　　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。

　　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。

　　“TVS技术的原理就好像传统的打太极，可以轻松释放掉能量而不是直接与之对抗”，麦满权形象地比喻道。他强调，这样做的好处是器件不会受到损害，基本上没有寿命限制。

　　与压敏电阻类似，聚合物材料在使用过程中同样存在磨损问题。

　　从现场展示的TVS与压敏电阻的钳制电压曲线来看，TVS器件可以在极短时间内将输入的大电压钳制到5至6伏的水平，而压敏电阻的曲线则下降得非常缓慢，并且无法达到TVS器件的效果。这表明TVS器件在响应时间和钳制性能方面均优于压敏电阻。

　　超小的封装也是安森美半导体ESD产品的优势之一。可以看到，安森美SOD-923 TVS的建议焊接面积为0.54mm，0402压敏电阻为0.9mm；SOD-923 TVS的界面高度仅为0.4mm，而0402压敏电阻截面高度高达0.9mm。

　　与市场上的其它TVS器件相比，安森美产品也极具优势。当采用IEC61000-4-2 8kV的正输入脉冲时，安森美ESD元件的钳制比其它产品略低，但在负脉冲下，安森美ESD元件能够在20ns的响应时间内达到很低的钳制电压，同类产品却几乎花了150ns才使电压降下来。这说明安森美ESD元件具有更高的负脉冲钳制性能，而负脉冲条件下的ESD保护性能对于电子设备而言同样重要。“这要归功于我们设计本身的独特优势。”麦满权自豪地表示。除此之外，安森美最新的低电容设计还可以消除之前存在的大电容问题，提供更进一步的解决方案。

ESD保护器件性能测试

　　ESD保护器件必须能够在IEC 61000-4-2标准条件下存续，同时承受应力期间需维持低电压，但目前业界尚未形成公认的元件测试标准。安森美半导体对此给出的定义是，在±10kV应力电压下，器件应符合数据表规范且器件特性没有显著变化。

　　针对以上测试标准，安森美半导体为设计工程师提供了测试和鉴定ESD保护性能的高效解决方案。Robert Ashton表示：“在测试ESD保护器件的大电流保护性能时，‘屏幕截图’是重要的第一步，TLP是得到良好结果下一步。”安森美半导体的电压“屏幕截图”方法十分便于工程师进行比较和观察，它可以将ESD保护器件与压敏电阻的波形呈现在同一个屏幕截图上，因此适合于比较不同的ESD器件。利用传输线路脉冲(TLP)则能够测量电流-电压(I-V)曲线，解析基础参数，因而是片上ESD保护的必备工具。

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