原创 (转载)浅析常见ESD保护器

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时代的发展让我们每个人手中都会有几件时尚电子产品，如播放器、智能手机以及其他便携式产品等。这些设备都很容易受到静电放电（ESD）的影响。在智能手机、电脑和电视机中，半导体器件越来越小，其外的氧化膜越来越薄，对瞬变的敏感度越来越高，器件越来越容易受到损坏。这些都给电子设备带来同一个问题，那就是设备对电路瞬变过程的影响更加敏感，这给电路保护市场带来了巨大市场价值。根据Paumanok Publications公司统计，2003年到2008年片式压敏电阻大部分被用于手机ESD保护。2011年和2012年，因为面临电信基础设施的又一轮建设，声音和数据转换、基站和调制解调器的保护方面也需要消耗大量晶闸管、浪涌电阻排和保护二极管，对电路保护器件来说又是一个快速发展的好时期。电路保护器件总体上有两种工作方式：过压保护和过流保护。当电路中出现过压或者过流现象时，这些器件会做出断开或箝位动作，以抑制电压或电流突变，保护其他昂贵的半导体器件免受破坏。本文主要讨论静电放电（ESD）保护器件。不管是过压保护还是过流保护，从ESD器件采用的技术方面来说，主要有硅技术、陶瓷材料、聚合材料和玻璃陶瓷四种。硅技术的ESD器件以硅技术为代表的厂商很多，如村田制作所、Vishay、LittleFuse以及安森美，相关的产品也最多，应用也极为广泛。常见的硅技术ESD器件如TVS（瞬变电压消除器）。TVS通常并联于被保护电路，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。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。由于TVS二极管的结面积较大，使得它具有泄放瞬态大电流的优点。该产品在手机、机顶盒、复印机等领域得到广泛认可。村田制作所ESD保护装置利用了其专门的电路技术，提高了ESD抑制特性和可反复使用的耐久性，代表产品是LXES系列，如表1所示，在手机、笔记本电脑中多有应用。 表1 LXES系列产品一览(2010年5月) 品名 尺寸 静电容量 通道 用途 LXES15AAA1-017 1.0×0.5mm 0.05pF 1 天线端口，高速传输线 LXES1TBBB2-004 1.6×1.6mm 0.55pF 2 高速传输线 LXES1TBAA2-013 1.6×1.6mm 0.55pF 2 高速传输线(USB2.0×1port) LXES2TBBB4-028 2.5×1.0mm 0.5pF 4 高速传输线(HDMI,USB2.0×2port) LXES2SBAA4-016 2.9×2.8mm 0.55pF 4 高速传输线(Displayport、SATA、IEEE、HDMI、USB etc.) LXES2SBBB4-026 2.9×2.8mm 1.0pF 4 高速传输线(USB2.0×2ports) LXES1TBAA4-005 1.6×1.6mm 1.3pF 4 高速传输线 LXES4XBAA6-027 4.9×3.0mm 0.25pF 6 超速传输线(USB3.0) Vishay最新推出的硅技术ESD器件为4线VCUT05A4-05S-G-08双向对称(BiSy)ESD保护阵列，可保护PC和便携式消费电子产品中的USB 2.0等数据端口应用。该器件能够对4条数据线提供瞬态保护，保护等级达到per IEC 61000 4 2 (ESD)所规定的±25kV(空气放电)和±20kV(接触放电)。根据IEC 61000-4-5，器件的浪涌电流保护达到3.5A以上。 LittleFuse抑制ESD和其他与EMC相关的瞬态浪涌的保护器件也采用了硅控技术（SCR/二极管阵列和TVS雪崩二极管阵列）。其SP72x产品由多个SCR/二极管单元组成，这些单元组成了从电源到地之间的通路。一旦瞬变电压超过正向电源电压（V+）0.7V，电压轨会钳位在V+，当瞬变电压为低于负向电源电压（V-）0.7V，电压轨会钳位在V-。通过这种方式，瞬变电压被抑制在电路正常工作所需要的电压水平范围内。这种静电抑制方式可以保护通信设备遭受来自ESD的冲击。该公司SP1005和SP1007这两个系列都是用于ESD保护的离散型双向TVS二极管，可用于移动电话、智能电话、摄像机、PDA、数码相机、MP3/个人媒体播放器（PMP）、便携式导航设备、便携式医疗设备以及销售点终端机等设备。陶瓷电容用作ESD保护陶瓷电容作ESD保护，不但便宜而且设计简便，虽然这类器件对高压的承受力相对比较弱。以陶瓷技术为代表的ESD器件包括多层压敏电阻MLV、金属氧化物压敏电阻MOV等。供应商包括村田制作所、Littlefuse等。村田制作所陶瓷电容类ESD保护器件主要用于高频应用如高频天线中，通过使用陶瓷来取代硅，可使ESD器件电容量达0.05pF，从而实现降低设备的功耗。 LittleFuse的MLV器件（积层突波吸收器）是基于ZnO压敏陶瓷材料制成，是静电抑制技术中极具鲁棒性的技术，可以用于保护电源和通信中电压在3.5~120VDC（2.5~107VAC）的应用，对静电放电、电快速瞬变以及发生在电源、信号和控制电路上的其他瞬变提供了电路板级别的保护。LittleFuse单排式和多排式电路设备均可用于带有多种端接选项（其中包括改进了焊接特性的无铅镍镉板）的产业标准外观中。该公司MHS系列还可以用在数据传输率高达125Mbps，且对空间受限的场合中。聚合材料的ESD器件脉冲保护抑制器使用聚合物合成材料，能够抑制IEC 61000-4-2和MIL-STD-883E规定的快速增长的静电放电瞬变，而不增加电路的电容。这种静电抑制器可帮助保护敏感的电器设备，以防ESD袭击。这种抑制器增加了集成电路的芯片保护，特别适用于需要低电容的低压电路和高速数据传输的情况，如USB2.0、IEEE1394、HDMI和DVI等应用带来了很多好处。 LittleFuse公司在该ESD器件上有建树。脉冲保护静电放电抑制器不同于其MLV和SP72x器件，因为聚合物合成材料不能承受更高的EFT冲击电压和浪涌瞬变。另一方面，脉冲保护产品是静电抑制技术中具有0.05pF的极低电容的产品，可以用于保护数据传输速率在3~5 Gbps传输速率的通信设备。 玻璃陶瓷ESD器件以AEM公司新推出的玻璃陶瓷ESD器件是ESD保护器件的新代表，与上述三类产品的实现技术有所不同。其SolidMatrix玻璃陶瓷ESD器件利用具有非线性电阻特性和玻璃陶瓷两相复合物的材料体系，含有多种氧化物的陶瓷相和玻璃相，该材料体系在被施加低电压时呈高电阻，被施加高电压时呈低阻态。该公司GcDiode静电保护器采用独有的玻璃陶瓷材料、专利制造工艺实现设计，具有低漏电流、强耐受静电冲击、高稳定性、低钳位电压、低容值（<0.25pF ）等性能优势，具有较佳的性价比。 总之，上述技术都是通过将瞬变电压“钳位”到安全电压水平来保护电路，即将高于通常电路运行的3.3V、6V或者12V等电压钳位到安全电压范围内，使本来会导致电路损害的瞬变能量经过ESD抑制器后被消散了，如图1所示。图1 瞬变能量经过ESD抑制器后消散了 ESD器件的选择各种ESD器件因应用场合、电路设计的不同，选择的标准也有所不同。但一个大的原则是，大功率的产品主要用在电源馈线上，低功率产品主要用在高密度安装场合。在选用TVS时，应考虑以下几个主要因素：TVS的Vc值应低于被保护元件的最高电压，Vc是二极管在截止状态的电压；TVS在正常工作状态下不要处于击穿状态，最好处于VR以下；如果无法确定IPP的大致范围，则选用功率大些的TVS为好；TVS需要满足IEC61000-4-2国际标准，即TVS二极管必须达到可以处理最小8 kV(接触)和15 kV(空气)的ESD冲击。对于某些有特殊要求的便携设备应用，设计者可以按需要挑选器件。 MLV的电容量较大（40～220pF），主要用于直流及数据传输率较低的端口。但MLV中的有的产品系列电容量较小，仅3～12pF，可以适用于较高的数据传输速率的端口作ESD保护。综上，每种ESD保护器件都有其特点和优势，或是使用方便，或适于特殊场合，或具更好的性价比。虽然有的ESD保护器件在材料、吸收静电方式上相对更加传统一些，但在电路保护这个大市场中依然拥有一席之地。因此，随着人们对各种新材料和新的电路保护技术的不懈研究和创新，ESD保护器件也将不断推陈出新，使电路保护产品更加安全、可靠。