ESD器件安全防護基本原理

2021-03-18
 這兒詳細介紹pcb設計手機上中較為常見(jiàn)的TVS管和壓敏電阻。
 
  一、ESD器件的關(guān)鍵技術(shù)參數
  1、較大工作頻率(Max Working Voltage)
  容許長(cháng)期性持續釋放在ESD維護器件兩邊的電壓(有效值)，再此工作態(tài)度下ESD器件不通斷，維持高阻情況，反向泄露電流不大。
  2、擊穿場(chǎng)強(Breakdown Voltage)
  ESD器件剛開(kāi)始姿勢(通斷)的電壓。一般地，TVS管姿勢電壓比壓敏電阻低。
  3、鉗位電壓(Clamping Voltage)
  ESD器件穿過(guò)最高值電流時(shí)，其兩邊展現的電壓，超出此電壓，將會(huì )導致ESD永久損害。
   4、泄露電流(Leakage Current)
  在特定的交流電壓(一般指不超出較大工作頻率)的功效下，穿過(guò)ESD器件的電流。一般地，TVS管的反向泄露電流是nA級，壓敏電阻泄露電流是μA級，此電流越小，對維護電源電路危害越小。
  5、電容器(Capacitance)
  在給出電壓、頻率標準下測出的值，此值越小，對維護電源電路的數據信號傳送危害越小。例如硅半導體材料TVS管的結電容(pF級)，壓敏電阻的寄生電容(nF級)
  6、響應速度(Response Time)
  指ESD器件對鍵入的大電壓鉗制到預訂電壓的時(shí)間。一般地，TVS管的響應速度是ns級，壓敏電阻是μs級，此時(shí)間越小，更能合理的維護電源電路中電子器件。
  7、使用壽命(ESD Pulse Withstanding)
   TVS技術(shù)性運用的是半導體材料的鉗位基本原理，在承受瞬時(shí)速度髙壓時(shí)，會(huì )馬上將動(dòng)能釋放出來(lái)出來(lái)，大部分沒(méi)有使用壽命限定；而壓敏電阻選用的是物理學(xué)消化吸收基本原理，因而每歷經(jīng)一次ESD惡性事件，原材料就會(huì )遭受一定的物理學(xué)損害，產(chǎn)生沒(méi)法修復的走電安全通道，會(huì )伴隨著(zhù)應用頻次的增加特性降低，存有使用壽命限定。
 
  二、TVS管(硅半導體材料)
  瞬態(tài)抑止二極管（Transient Voltage Suppressor）通稱(chēng)TVS，是一種二極管方式的高效率維護器件，運用P-N結的反向熱擊穿原理，將靜電感應的髙壓?jiǎn)蚊}沖導進(jìn)地，進(jìn)而維護了家用電器內部對靜電感應比較敏感的元器件。以TVS二極管為例：當瞬時(shí)速度電壓超出電源電路一切正常工作頻率后，TVS二極管便產(chǎn)生山崩，出示給瞬時(shí)電流一個(gè)極低電阻器通道，其結果是瞬時(shí)電流根據二極管被引開(kāi)，繞開(kāi)被維護器件，而且在電壓修復標準值以前使被維護控制回路一直維持截至電壓。當瞬時(shí)速度單脈沖完畢之后，TVS二極管自動(dòng)回復內容高阻情況，全部控制回路進(jìn)到一切正常電壓。TVS管的無(wú)效方式關(guān)鍵是短路故障，但當根據的過(guò)電流很大時(shí)，也將會(huì )導致TVS管被爆裂而引路。
  TVS管有單邊和雙重二種，單邊TVS管的特性與穩壓二極管類(lèi)似，雙重TVS管的特性等于2個(gè)穩壓二極管反向串接，其I-V曲線(xiàn)圖特性圖見(jiàn)圖1，圖中技術(shù)參數注釋?zhuān)?br />   ①反向斷態(tài)電壓(截至電壓) VRWM與反向泄露電流IR：反向斷態(tài)電壓(截至電壓)VRWM表達TVS管不通斷的最多電壓，在這一電壓下只能不大的反向泄露電流IR。
  ②擊穿場(chǎng)強VBR：TVS管根據要求的檢測電流IT時(shí)的電壓，它是表達TVS管導通的標示電壓。
  ③單脈沖最高值電流IPP：TVS管容許根據的10/1000μs波的較大最高值電流（8/20μs波的最高值電流約為其5倍上下，8/20μs是界定IPP單脈沖波電流，請參照下面的圖2），超出這一電流就將會(huì )導致永久受損。在同一個(gè)系列產(chǎn)品中，擊穿場(chǎng)強越高的水管容許根據的最高值電流越小。
  ④較大箝位電壓VC：TVS管穿過(guò)單脈沖最高值電流IPP時(shí)兩邊所展現的電壓。
  ⑤正指導通電壓VF：TVS根據正指導通電流IF的壓力降。
  除所述技術(shù)參數外，TVS管還有一個(gè)重要主要參數：P-N結電容Cj。
 
  三、壓敏電阻(MLV/MOV)
  多層高層壓敏電阻(MLV)及氫氧化物壓敏電阻(MOV)運用ZnO等壓敏這種材質(zhì)的壓敏特性，保持了對靜電感應的安全防護，壓敏電阻器的電阻器體原材料是半導體材料，當釋放于壓敏電阻器兩端電壓低于其壓敏電壓，壓敏電阻器等于10MΩ左右接地電阻；如在壓敏電阻器兩邊釋放超過(guò)壓敏電壓的過(guò)壓時(shí)，壓敏電阻器的電阻器驟降展現低阻態(tài)，進(jìn)而把電荷迅速導走，合理地維護了電源電路中的其他電子器件不至于過(guò)流保護而受損。壓敏電阻選用的是物理學(xué)消化吸收基本原理，因而每歷經(jīng)一次ESD惡性事件，原材料就會(huì )遭受一定的物理學(xué)損害，產(chǎn)生沒(méi)法修復的走電安全通道，會(huì )伴隨著(zhù)應用頻次的增加特性降低，存有使用壽命限定難題。
  壓敏電阻兼容雙重維護，它的伏安特性是徹底對稱(chēng)性的，見(jiàn)圖5，VW：一切正常工作頻率(Working Voltage)。IL：較大Vw工作中標準下的走電電流(Leakage Current)。壓敏電阻的無(wú)效方式關(guān)鍵是短路故障，但當根據的過(guò)電流很大時(shí)，也將會(huì )導致泵殼被爆裂而引路。
 
  四、TVS管和壓敏電阻運用場(chǎng)所
  根據對TVS管和壓敏電阻的特性比照，依據分別的優(yōu)勢，合適運用場(chǎng)所列下：
  1、與壓敏電阻較為，TVS管具備響應速度快、鉗位電壓誤差小、結電容小、反向泄露電流寸和無(wú)使用壽命限定等優(yōu)勢，因此較合適于數據信號品質(zhì)規定高、線(xiàn)走電規定小等插口的ESD安全防護，  例如髙速網(wǎng)絡(luò )信號傳輸線(xiàn)、鐘表線(xiàn)等。
  2、與TVS管較為，壓敏電阻的擊穿場(chǎng)強VBR和箝位電壓VC都相對性高，載流工作能力相對性強，具備更強的浪涌單脈沖吸收力，因此較合適于電源接口的ESD或浪涌安全防護。
  3、針對二者都合適的場(chǎng)所，考慮到價(jià)錢(qián)要素，采用壓敏電阻。