本文將分析系統(tǒng)設(shè)計師可以采用的一些保護產(chǎn)品類型，并比較它們的特性,。為了確保系統(tǒng)在遭受ESD事件時的魯棒性,，必須按照IEC 61000-4-2等標準來測試這些產(chǎn)品。系統(tǒng)設(shè)計師采用多種方法來確保產(chǎn)品符合主流的ESD標準,，包括解決外殼設(shè)計,、電路板設(shè)計、元件選擇,，甚至是軟件修復,。其中一個重要的方法是在輸入和輸出(I/O)連接器等關(guān)鍵電路節(jié)點處使用保護元件。ESD保護元件通常稱作瞬態(tài)電壓抑制器(TVS),。
TVS的ESD保護原理
許多集成電路(IC)都有一些可能比較敏感的輸入,，這使得它們在輸入電壓遠高于正常值的的情況下(例如在ESD應力作用下)易于受損。正常工作電壓與使器件開始受損的電壓之間的區(qū)域是安全過壓區(qū),。安全過壓區(qū)與器件受損區(qū)之間有少許交疊,，因為如果較大的過壓僅持續(xù)極短時間，那么即使不是在安全過壓區(qū),，器件可能也可以承受,。TVS的任務就是發(fā)生ESD事件時，將輸入電壓維持在安全過壓范圍之內(nèi),，而在正常工作時不影響系統(tǒng)性能,。TVS器件被放置于鄰近ESD事件可能進入系統(tǒng)的位置，旨在限制敏感節(jié)點處的電壓,，并將電流引至不太敏感的節(jié)點,，如地電平,。為實現(xiàn)這個功能，TVS必須在正常工作電壓范圍內(nèi)擁有高阻抗,在正常工作電壓范圍之外擁有低阻抗,，這樣才能將電流直接從敏感節(jié)點引開,，并限制瞬態(tài)電壓。
對TVS的基本要求與具體應用有關(guān),，但一般情況下有如下要求：(1)能夠在期望的ESD應力下正常工作,；(2)在正常電壓范圍內(nèi)具有高阻抗(低泄漏)；(3)在正常電壓范圍之外呈低阻抗,；(4)導通電壓適合應用,；(5)在遭受應力期間可快速地從高阻抗轉(zhuǎn)換至低阻抗(6)電容對目標應用而言不太高。在比較具體的TVS器件類型之前,，需要理解兩種分類,。
單向與雙向保護：單向和雙向TVS器件都能抑制正向和負向應力。依據(jù)TVS維持高阻抗,、低泄漏狀態(tài)的電壓范圍,，可以最好地理解這兩個術(shù)語的不同。這種電壓范圍決定了TVS器件能保護的電路節(jié)點類型,。雙向TVS具有相對于零伏電壓的對稱特性(圖1),。雙向器件最適合保護電壓基于零伏對稱或雙向的電路節(jié)點。單向TVS產(chǎn)品具有相對零伏電壓不對稱的特性,。單向TVS器件極適合保護電壓極性始終相同的電路節(jié)點,，如0到5伏這樣的單極性電壓。
電壓箝位與消?。弘妷后槲黄骷墓ぷ髟硎菑牡碗妷簳r的高阻抗轉(zhuǎn)換至高于導通電壓時的低阻抗,，且沒有負阻抗區(qū)域(圖2)。這器件通過提供接地的低阻抗通道,，對高于導通電壓的電壓進行箝位,。消弧(crowbar)器件在低電壓時也呈高阻抗，但當電壓較高時觸發(fā)新的導通機制,，使電流增大,，并伴隨著電壓下降。因此,，消弧器件擁有負阻抗區(qū)域,。某些消弧器件的觸發(fā)電壓可能非常高。如果消弧TVS觸發(fā)器的速度足夠快,，就可以經(jīng)常提供保護,，即便電壓已經(jīng)達到可能導致器件損壞的電平。消弧器件有時也稱作“驟回”器件，因為電壓驟然下降,。
ESD TVS器件采用的技術(shù)主要有三種：壓敏電阻,、聚合物和硅二極管，每種技術(shù)各有其獨特特性,。
1．金屬氧化物壓敏電阻(MOV)
壓敏電阻在小電流和低電壓下具有高阻抗,，但在高電壓和大電流下，它們的阻抗大幅下降,，因此它們屬于電壓箝位器件,。
壓敏電阻是雙向保護器件，具有很寬范圍的電流和電壓保護能力,，適用從高壓輸電線路和雷電保護,，到到小型ESD表面貼裝器件等應用領(lǐng)域，,。然而,，相對于它們的導電率來說，它們電容較大,，這意味著它們在高速信號線路保護方面的應用受到限制,。壓敏電阻在遭受多次應力后，性能也會下降,，即使遠低于單次應力導致的損壞等級,。
2．聚合物浪涌抑制器
聚合物浪涌抑制器件為消弧器件，且總是雙向保護器件,。它們的電容很低,，對高速應用具有吸引力,。但是它們的短處是導通電壓高,、導通阻抗性能相對較差，遭受多次應力時易于性能下降,。
3．TVS二極管
如今大多數(shù)的二極管都是采用硅制造的固態(tài)器件,。它們?yōu)殡p端器件，很容易讓一個方向上的電流流過,，但在相反方向上,，它們呈現(xiàn)高阻抗，直到兩端電壓達到擊穿電壓,。二極管本質(zhì)上為單向器件,，保護方式為電壓箝位。
二極管的特性取決于N區(qū)與P區(qū)的摻雜程度,，這兩個區(qū)離結(jié)點的距離遠近不同,。調(diào)節(jié)摻雜程度能構(gòu)建反向偏置擊穿電壓在幾百伏到僅幾伏之間的二極管。設(shè)計有明確定義的反向偏置擊穿電壓的二極管，通常稱作齊納二極管,。
基于二極管的TVS產(chǎn)品擁有其它ESD保護產(chǎn)品所不具備的多用性——可選擇單向和雙向保護,。基本二極管是單向產(chǎn)品,，且是僅有的單向保護元件,。串聯(lián)結(jié)合兩個二極管就能輕易地構(gòu)成雙向保護。雙向保護可通過共陰極或共陽極配置來實現(xiàn),。使用一對單向TVS器件便能實現(xiàn)雙向保護性能,。市面上有多種基于雙向二極管的TVS器件，這些器件中的兩個二極管均位于同一個封裝,，甚至經(jīng)常集成在單個硅襯底上,。
過去，硅TVS器件由于電容高,，在保護低壓高速信號線路方面存在劣勢,。然而，近年來的技術(shù)進步消除了這種不利因素,。安森美半導體的新產(chǎn)品ESD9L5.0將硅器件保護的優(yōu)勢與高速應用要求的低電容結(jié)合在一起,。這個產(chǎn)品的特性就像一個簡單的齊納二極管。事實上,，ESD9L5.0包含一個擊穿電壓低的齊納二極管和一對擊穿電壓高(因而電容小)的標準二極管,。
保護元件的比較
表1總結(jié)了前面談及的三類TVS器件的基本特性。選擇恰當?shù)谋Ｗo器件應考慮多種因素,，其中關(guān)鍵的決定因素就是被保護電路的特性,。
對應力有不對稱敏感度的電路節(jié)點，可能需要只有TVS二極管產(chǎn)品才能提供的單向保護,。高速應用要求非常低的電容,，這使得使聚合物器件具有吸引力。聚合物器件可以滿足對低電容和保護能力的要求,。為了讓聚合物TVS產(chǎn)品可以用在高速應用中,，，高速節(jié)點需要在瞬態(tài)高壓下工作以導通聚合物TVS,，并在導通模式下提供中等阻抗,。
由于成本低、不要求高壓導通,，壓敏電阻常常具有吸引力,。如果它們被制造得足夠大以提供具有足夠低的導通阻抗，從而提供充足的保護,，那么它們的電容通常對高速應用而言就太大了,。TVS二極管產(chǎn)品具有很好的箝位能力,，如今市場上也有超低電容的TVS產(chǎn)品，甚至適合最高速的應用,。二極管也頗具吸引力,，因為它們能夠用作單向保護器件，匹配當今許多高速數(shù)字信號的電壓范圍,。
(本文轉(zhuǎn)自電子工程世界：http://www./mndz/2011/0611/article_9849.html)
