揭开tvs管在便捷设备中的详细应用



　　便携式设备的ESD保护十分重要，而TVS管是一种十分有效的保护器件，与其它器件相比有其独特的优势，但在应用时应当针对不同的保护对象来选用器件，因为不同的端口可能受到的静电冲击有所不同，不同器件要求的保护程度也有不同。要注意相应的参数鉴别以及各个生产商的不同设计。下面就由立深鑫电子在便携式设备的ESD保护中如何应用TVS管器件。



　　便携式设备如笔记本电脑、手机、PDA、MP3播放器等，由于频繁与人体接触极易受到静电放电(ESD)的冲击，如果没有选择合适的保护器件，可能会造成机器性能不稳定，或者损坏。更坏的情况是查不出确切的原因，使用户误认为是产品质量问题而损坏企业信誉。



　　一般情况下，对此类设备暴露在外面可能与人体接触的端口都要求进行防静电保护，如键盘、电源接口、数据口、I/O口等等。现在比较通用的ESD标准是IEC61000-4-2，应用人体静电模式，测试电压的范围为2kV～15kV(空气放电)，峰值电流最高为20A/ns，整个脉冲持续时间不超过60ns。在这样的脉冲下所产生的能量总共不超过几百个微焦尔，但却足以损坏敏感元器件。



　　便携式设备所采用的IC器件大多是高集成度、小体积产品，精密的加工工艺使硅晶氧化层非常薄，因而更易击穿，有的在20V左右就会受到损伤。传统的保护方法已不再普遍适用，有的甚至还会造成对设备性能的干扰。



　　可用于便携式设备的ESD保护器件有很多，例如设计人员可用分立器件搭建保护回路，但由于便携设备对于空间的限定以及避免回路自感，这种方法已逐渐被更加集成化的器件所替代。多层金属氧化物器件、陶瓷电容还有二极管都可以有效地进行防护，它们的特性及表现各有不同，TVS管在此类应用中的独特表现为其赢得了越来越大的市场。



　　TVS管最显著的特点一是反应迅速，使瞬时脉冲在没有对线路或器件造成损伤之前就被有效地遏制，二是截止电压比较低，更适用于电池供电的低电压回路环境。另外对TVS管设计的改进使其具有更低的漏电流和结电容，因而在处理高速率传导回路的静电冲击时有更理想的性能表现(图1)。



　　TVS管的优势



　　TVS管与齐纳二极管：与传统的齐纳二极管相比，TVS管P/N结面积更大，这一结构上的改进使TVS具有更强的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护手持设备低工作电压回路的安全具有更好效果。



　　TVS管与陶瓷电容：很多设计人员愿意采用表面贴装的陶瓷电容作ESD保护，不但便宜而且设计简便，但这类器件对高压的承受力却比较弱。5kV的冲击会造成约10%陶瓷电容失效，到10kV时，损坏率达到60%，而TVS可以承受15kV电压。在手持设备的使用过程中，由于与人体频繁接触，各个端口必须至少能够承受8kV接触冲击(IEC61000-4-2标准)，可见使用TVS可以有效保证最终产品的合格率。



　　TVS管与MLV：多层金属氧化物结构器件(MLV)也可以进行有效的瞬时高压冲击抑制，此类器件具有非线性电压-电流(阻抗表现)关系，截止电压可达最初中止电压的2～3倍，这种特性适合用于对电压不太敏感的线路和器件的保护，如电源回路。而TVS管具有更好的电压截止因子(图2)，同时还具有较低的电容，这一点对于手持设备的高频端口非常重要，因为过高的电容会影响数据传输，造成失真或是降级。TVS管的各种表面封装均适合流水线装配的要求，而且芯片结构便于集成其它的功能，如EMI和RFI过滤保护等，可有效降低器件成本，优化整体设计。



　　另一个不能忽略的特点是二极管可以很方便地与其它器件集成在一个芯片上，现有很多将EMI过滤和RFI防护等功能与TVS管集成在一起的器件，不但减少设计所采用的器件数目降低成本，而且也避免PCB板上布线时易诱发的伴生自感。



　　TVS管的参数



　　1．为了满足IEC61000-4-2国际标准，TVS管必须达到可以处理最小8kV(接触)和15kV(空气)的ESD冲击，有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。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。



　　2．Vwm这是TVS管在正常状态时可承受的电压，此电压应大于等于被保护电路的正常工作电压，否则TVS管会不断截止回路电压；但它又需要尽量与被保护回路的正常工作电压接近，这样才不会在TVS管工作以前使整个回路面对过压威胁。



　　3．Vc这是TVS管在截止状态提供的电压，也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压，它不能大于被保护回路的可承受极限电压，否则器件面临被损伤的危险。



　　4．Pppm额定脉冲功率这是基于最大截止电压和此时的峰值脉冲电流，对于手持设备，一般来说500W的TVS就足够了。



　　5．电容对于数据/信号频率越高的回路，TVS管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度，因此需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS，电容不大于3pF)，而对电容要求不高的回路电容选择可高于40pF。



　　常见手持设备ESD保护对TVS管的要求：



　　音频输入/输出：音频回路的信号速率比较低，对器件电容的要求不太高，100pF左右都是可以接受的。有的设计中将耳机和麦克风合在一起，有的则是分立线路，前一种情况可以选择单路TVS管，而后一种情况如果两个回路是邻近的，则可以选用多路TVS阵列，只用一个器件就能完成两个回路的保护。



　　按键/开关：这些回路的数据率很低，对器件的电容没有特殊要求，用普通的TVS管阵列都可以胜任。



　　数据视频/USB2.0：数据率高达480Mbps，有的视频数据率达到1G以上，因而要选择低电容LCTVS，它通常是将一个低电容二极管与TVS管串联，以降低整个线路的电容(可低于3pF)，达到高速率回路的要求。



　　SIM卡/天线：有专门为此类端口设计的集ESD(TVS)/EMI/RFI防护于一个芯片的器件，充分体现了片式器件的无限集成方案。



　　电源/充电口：由于是直流回路，可选用高电容器件。此端口可能会受到高能量的冲击，可以选用集成了TVS和过流保护功能的器件。



　　在针对不同用途选择器件时，要避免使器件工作在其设计参数极限附近，还应根据被保护回路的特征及可能承受ESD冲击的特征选用反应速度足够快、敏感度足够高的器件，这对于有效发挥保护器件的作用十分关键，另外集成了其它功能的器件也应当首先考虑。



　　众多半导体厂商提供了多种不同的TVS管封装形式，尤其是像SOT23和SC-70，以及与芯片同等大小的倒装芯片之类的微型封装，在板上只占约4.8mm2的位置，却可以同时保护多个线路。最近的许多新产品更是适应便携设备高集成度、小型化要求，将EMI/RFI/ESD保护集成在一个器件中，不但可以有效缩小空间，还大大减少了成本，降低了器件采购成本和加工成本，对于同时需要这几种保护功能的端口来说，可谓设计者的首选。