引言

瞬態(tài)保護(hù)在當(dāng)今電子產(chǎn)品的數(shù)據(jù)線上變得越來越普遍，因?yàn)榇蠖鄶?shù)現(xiàn)代集成電路都是用每一代越來越小的晶體管構(gòu)建的，用于支持更高的數(shù)據(jù)速率和更低的功耗。靜電放電 (ESD) 和浪涌等瞬態(tài)事件會(huì)在 IC 的輸入和輸出 (I/O) 處產(chǎn)生非常大的電壓或電流，需要將其鉗位到較低的電壓，保護(hù)敏感電路免受這些高放電電壓的影響。

瞬態(tài)保護(hù)電路有許多不同的選擇，要選擇能夠?yàn)橄掠坞娐诽峁┳罴驯Ｗo(hù)的保護(hù)器件，應(yīng)了解保護(hù)器件的主要規(guī)格，這一點(diǎn)很重要。本文比較了兩種常見的保護(hù)器件，即瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管和壓敏電阻。

ESD 和浪涌的產(chǎn)生原因

帶有外露接口連接器的系統(tǒng)容易受到靜電放電 (ESD) 的影響。這些事件可能是由最終用戶組裝期間或正常使用期間的人體接觸引起的。所有 IC 均具有內(nèi)置的器件級(jí) ESD 結(jié)構(gòu)，可在制造過程中防止受到 ESD 的影響，其等級(jí)符合充電器件模型 (CDM) 和人體放電模型 (HBM)。最終用戶場景中遇到的 ESD 視為系統(tǒng)級(jí) ESD 事件，其會(huì)向數(shù)據(jù)線或電源線注入非常高的電壓和電流。圖 1 比較了器件級(jí)和系統(tǒng)級(jí) ESD 模型。

圖 1 HBM、CDM 與 IEC ESD 脈沖

IEC 61000-4-x 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三個(gè)最常見的系統(tǒng)級(jí)瞬態(tài)抗擾度標(biāo)準(zhǔn)：系統(tǒng) ESD 抗擾度 (IEC 61000-4-2)、電氣快速瞬變抗擾度 (EFT) (IEC 61000-4-4) 和雷擊/浪涌抗擾度 (IEC 61000-4-5)。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要根據(jù)至少上述標(biāo)準(zhǔn)之一對(duì)外露的數(shù)字通信端口或電源線進(jìn)行一定程度的保護(hù)。壓敏電阻和 TVS 二極管通常是具有成本效益的設(shè)計(jì)，能夠承受系統(tǒng)級(jí)瞬態(tài)并具有符合上述 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)表規(guī)格。

有關(guān)這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱適用于 TI 保護(hù)器件的 IEC 61000-4-x 測試 和揭秘浪涌保護(hù)

TVS 二極管

TVS 二極管用于將系統(tǒng)級(jí)瞬態(tài)鉗位至較低的電壓，以避免損壞敏感電路。這些二極管由一個(gè) PN 結(jié)構(gòu)成，該結(jié)會(huì)發(fā)生雪崩擊穿現(xiàn)象，能夠維持大電流。這些二極管通常與敏感電路并聯(lián)，在接近工作電壓 (Vrwm) 的電壓下表現(xiàn)得像電容器。一旦線路上的電壓超過擊穿電壓 (VBR)（通常僅在瞬態(tài)事件期間發(fā)生），二極管就會(huì)開始向接地端傳導(dǎo)大電流。ESD/TVS 二極管可以根據(jù)系統(tǒng)級(jí) ESD 和浪涌模型指定保護(hù)等級(jí)。

圖 2 簡化的 TVS 二極管

壓敏電阻

這些器件主要使用氧化鋅 (ZnO) 以及少量的其他金屬氧化物構(gòu)建而成。壓敏電阻的主體包含一個(gè)由晶界分隔的導(dǎo)電氧化鋅晶粒矩陣，形成了與 TVS 二極管相似的 P-N 結(jié)半導(dǎo)體特性。這些器件以類似的方式工作，在以并聯(lián)方式連接時(shí)允許所需的較低電壓信號(hào)在受保護(hù)的引線上通過。每當(dāng)電壓高于定義的壓敏電阻電壓（類似于 TVS 擊穿電壓）時(shí)，壓敏電阻的電阻就會(huì)突然下降，允許電流流動(dòng)。

圖 3 簡化的片式壓敏電阻

片式壓敏電阻和 TVS 二極管可用于保護(hù)數(shù)據(jù)線和電力線，但 TVS 二極管的配置專為任何接口的數(shù)據(jù)線保護(hù)而設(shè)計(jì)。盡管這些瞬態(tài)保護(hù)設(shè)計(jì)具有很多相同的特性，但壓敏電阻受工藝的限制，無法達(dá)到高速數(shù)據(jù)線路保護(hù)所需的特定規(guī)格。TVS 二極管由于具有超低鉗位電壓和超低電容規(guī)格，可更好地保護(hù)敏感的低壓電路，因此更適合數(shù)據(jù)線保護(hù)。TI 的最新 TVS 二極管還具有非常低的漏電流，非常適合電池供電的應(yīng)用。

ESD 保護(hù)器件規(guī)格

下面將討論 TVS 和壓敏電阻之間不同的規(guī)格。有關(guān) ESD 保護(hù)器件所有規(guī)格的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱閱讀并了解 ESD 保護(hù)器件數(shù)據(jù)表。

工作電壓和極性

圖 4 雙向與單向極性

由于壓敏電阻具有構(gòu)成主體的對(duì)稱內(nèi)部金屬層，因此僅提供雙向配置。TVS 二極管廣泛提供單向和雙向配置。單向極性最適合僅在正電壓范圍內(nèi)擺動(dòng)的信號(hào)，因?yàn)檫@些信號(hào)對(duì)于負(fù) ESD 事件表現(xiàn)出較低的鉗位電壓，從而更好地保護(hù)下游電路。

電容

壓敏電阻的電容通常非常大，無法支持高數(shù)據(jù)速率通信協(xié)議。這是因?yàn)橛糜谥圃靿好綦娮璧牟牧暇哂懈呓殡姵?shù)。TVS 二極管可以實(shí)現(xiàn)超低線路電容，因此非常合適用于數(shù)據(jù)線，因?yàn)樵诰€路上添加低電容二極管不會(huì)影響信號(hào)完整性。TI 的產(chǎn)品系列采用電容低于 0.2pF 的保護(hù)二極管，可支持具有最高數(shù)據(jù)速率的接口。

鉗位電壓

與 TVS 二極管相比，壓敏電阻的鉗位性能往往較差，因?yàn)樵?ESD/浪涌事件期間其接地電阻要大得多?？梢允褂靡韵鹿絹砉浪沣Q位電壓。

新型 TVS 二極管工藝可實(shí)現(xiàn)接近 0.1 歐姆的動(dòng)態(tài)電阻，在任何小型 ESD 設(shè)計(jì)中提供最低鉗位電壓設(shè)計(jì)。

圖 5 ESD 電流

瞬態(tài)事件期間外部保護(hù)器件的電阻會(huì)影響下游受保護(hù) IC 的內(nèi)部 ESD 單元之間的 ESD 電流耗散。理想情況下，外部保護(hù)器件的動(dòng)態(tài)電阻遠(yuǎn)低于內(nèi)部 ESD 鉗位二極管，以提供最低阻抗接地路徑，這可以引導(dǎo)更大的電流通過外部保護(hù)器件而不是通過內(nèi)部 ESD 二極管流到接地端。

ESD 保護(hù)器件在鉗制 ESD 沖擊的第一個(gè)峰值時(shí)始終會(huì)表現(xiàn)出一些較大的電壓尖峰。這些過壓持續(xù)時(shí)間很短，通常不會(huì)損壞器件，因此鉗位電壓通常被指定為在電壓穩(wěn)定后持續(xù) 30ns 左右。盡管如此，這些電壓尖峰可能對(duì)非常敏感的 IC 有害，并且峰值被鉗制得越快，設(shè)計(jì)針對(duì)系統(tǒng)級(jí) ESD 的穩(wěn)健性就越高。

與壓敏電阻相比，TVS 二極管的開通時(shí)間更短，能夠更快地將線路上的瞬態(tài)電壓鉗位到可接受的電壓，從而更好地保護(hù)現(xiàn)代微處理器等敏感電路。TVS 二極管對(duì)于敏感 IC 而言是一種很好的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些二極管提供了較低的接地電阻路徑，從而降低了鉗位電壓。

圖 6 15kV IEC ESD 沖擊

圖 7 25kV IEC ESD 沖擊

上圖展示了 24V TVS 二極管和 24V 壓敏電阻在兩種不同 IEC ESD 沖擊下的不同鉗位響應(yīng)。這兩種器件通常用于保護(hù) CAN 數(shù)據(jù)線。隨著 IEC ESD 電壓的增加，您可以看到鉗位電壓之間的差距會(huì)增加。對(duì)于 25kV IEC ESD 沖擊，壓敏電阻在約 5ns 時(shí)鉗位在 1500V 峰值，而 TVS 二極管在約 5ns 時(shí)將該電壓鉗位在 400V 峰值。如果 CAN 總線電壓容差較低，則由于壓敏電阻的鉗位性能較差，因此無法保護(hù) CAN 收發(fā)器免受較高電壓 ESD 沖擊的影響。CANH/CANL 引腳的最大電壓額定值的范圍通常為 40V 至 70V。

USB 等低電壓應(yīng)用可能需要更低的鉗位電壓，因?yàn)橄掠坞娐贩浅Ｃ舾校荒茉?USB 控制器等 I/O 上處理幾伏特的電壓。TVS 二極管可以為低電壓應(yīng)用提供最佳保護(hù)。

漏電流

與大多數(shù)現(xiàn)代 TVS 二極管相比，壓敏電阻的漏電流更高，其額定范圍通常為 uA 量級(jí)。對(duì)于等于或低于工作電壓的電壓，TVS 二極管可以提供低得多的漏電流規(guī)格，其范圍為 nA 量級(jí)。電池供電的設(shè)備等某些應(yīng)用可能需要最大限度地減小引線上所有元件的漏電流，以實(shí)現(xiàn)最高效的設(shè)計(jì)。

封裝

片式壓敏電阻采用小型封裝，例如業(yè)界通用的公制 0603 和 0402 封裝。TVS 二極管可采用小于 1mm x 1mm 的極小封裝，還采用多通道陣列以實(shí)現(xiàn)靈活的布線。這非常適合需要閉合阻抗匹配引線的高速差分對(duì)。

針對(duì) ESD 保護(hù)優(yōu)化布局

PCB 布局可能會(huì)嚴(yán)重影響大瞬態(tài)電流的耗散。實(shí)現(xiàn)低阻抗接地連接有助于降低下游元件受到 ESD 影響的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)將 ESD 保護(hù)器件放置在盡可能靠近 ESD 源（通常是外露的接口連接器）的位置，這一點(diǎn)很重要。這有助于將 ESD 電流引導(dǎo)至 TVS。

有關(guān)更多布局指南，請(qǐng)參閱我們的 ESD 保護(hù)布局指南

結(jié)語

壓敏電阻可能具有非常高的鉗位電壓，無法保護(hù)非常敏感的 IC，并且通常具有高線路電容值，無法支持更高速的數(shù)據(jù)線。這些規(guī)格限制了壓敏電阻在高速數(shù)據(jù)線應(yīng)用中的使用，因此更適合電源線保護(hù)。

可以有效地使用 TVS 二極管來保護(hù)電力線和數(shù)據(jù)線，因?yàn)槎O管工藝技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超低動(dòng)態(tài)電阻和電容特性。在控制電路為低電壓且需要保護(hù)極低鉗位電壓的數(shù)據(jù)線應(yīng)用中，TVS 二極管比壓敏電阻更適合。TI ESD 二極管的線路電容值可達(dá)到 0.2pF 以下，幾乎支持任何高速接口。

參考資料

• 德州儀器 (TI)，閱讀并了解 ESD 保護(hù)器件數(shù)據(jù)表。
• 德州儀器 (TI)，適用于 TI 保護(hù)器件的 IEC 61000-4-x 測試，應(yīng)用手冊(cè)。
• 德州儀器 (TI)，揭秘浪涌保護(hù)，白皮書。
• 德州儀器 (TI)，ESD 保護(hù)布局指南，應(yīng)用手冊(cè)。