ESD器件防护原理

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这里介绍手机中比较常用的TVS管和压敏电阻。

一、ESD器件的主要性能参数

1、最大工作电压(Max Working Voltage)
允许长期连续施加在ESD保护器件两端的电压(有效值)，在此工作状态下ESD器件不导通，保持高阻状态，反向漏电流很小。
2、击穿电压(Breakdown Voltage)
ESD器件开始动作(导通)的电压。一般地，TVS管动作电压比压敏电阻低。
3、钳位电压(Clamping Voltage)
ESD器件流过峰值电流时，其两端呈现的电压，超过此电压，可能造成ESD永久性损伤。
4、漏电流(Leakage Current)
在指定的直流电压(一般指不超过最大工作电压)的作用下，流过ESD器件的电流。一般地，TVS管的反向漏电流是nA级，压敏电阻漏电流是μA级，此电流越小，对保护电路影响越小。
5、电容(Capacitance)
在给定电压、频率条件下测得的值，此值越小，对保护电路的信号传输影响越小。比如硅半导体TVS管的结电容(pF级)，压敏电阻的寄生电容(nF级)
6、响应时间(Response time)
指ESD器件对输入的大电压钳制到预定电压的时间。一般地，TVS管的响应时间是ns级，压敏电阻是μs级，此时间越小，更能有效的保护电路中元器件。
7、寿命(ESD Pulse Withstanding)
TVS威廉希尔官方网站利用的是半导体的钳位原理，在经受瞬时高压时，会立即将能量释放出去，基本上没有寿命限制；而压敏电阻采用的是物理吸收原理，因此每经过一次ESD事件，材料就会受到一定的物理损伤，形成无法恢复的漏电通道，会随着使用次数的增多性能下降，存在寿命限制。

二、TVS管(硅半导体)

瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor）简称TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件，利用P-N结的反向击穿工作原理，将静电的高压脉冲导入地，从而保护了电器内部对静电敏感的元件。以TVS二极管为例：当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。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。TVS管的失效模式主要是短路，但当通过的过电流太大时，也可能造成TVS管被炸裂而开路。
TVS管有单向和双向两种，单向TVS管的特性与稳压二极管相似，双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联，其I-V曲线特性图见图1，图中性能参数注解：
①反向断态电压(截止电压) VRWM与反向漏电流IR：反向断态电压(截止电压)VRWM表示TVS管不导通的最高电压，在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。
②击穿电压VBR：TVS管通过规定的测试电流IT时的电压，这是表示TVS管导通的标志电压。
③脉冲峰值电流IPP：TVS管允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流（8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右，8/20μs是定义IPP脉冲波电流，请参考下图2），超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。
④最大箝位电压VC：TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。
⑤正向导通电压VF：TVS通过正向导通电流IF的压降。
除上述性能参数外，TVS管还有一个关键参数：P-N结电容Cj。

图1 TVS管I-V曲线特性图

图2

三、压敏电阻(MLV/MOV)

多层压敏电阻(MLV)及金属氧化物压敏电阻(MOV)利用ZnO等压敏陶瓷材料的压敏特性，实现了对静电的防护，压敏电阻器的电阻体材料是半导体，当施加于压敏电阻器两端电压小于其压敏电压，压敏电阻器相当于10MΩ以上绝缘电阻；当在压敏电阻器两端施加大于压敏电压的过电压时，压敏电阻器的电阻急剧下降呈现低阻态，从而把电荷快速导走，有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏。压敏电阻采用的是物理吸收原理，因此每经过一次ESD事件，材料就会受到一定的物理损伤，形成无法恢复的漏电通道，会随着使用次数的增多性能下降，存在寿命限制问题。

压敏电阻支持双向保护，它的伏安特性是完全对称的，见图5，VW：正常工作电压(Working Voltage)。IL：最大Vw工作条件下的漏电电流(Leakage Current)。压敏电阻的失效模式主要是短路，但当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。

图5 ZnO等压敏陶瓷材料的压敏电阻I-V曲线特性图

四、TVS管和压敏电阻应用场合

通过对TVS管和压敏电阻的性能对比，根据各自的优点，适合应用场合列下：
1、与压敏电阻比较，TVS管具有响应时间快、钳位电压偏差小、结电容小、反向漏电流小和无寿命限制等优点，因而较适合于信号质量要求高、线漏电要求小等接口的ESD防护，比如高速数据信号传输线、时钟线等。
2、与TVS管比较，压敏电阻的击穿电压VBR和箝位电压VC都相对高，通流能力相对强，具有更强的浪涌脉冲吸收能力，因而较适合于电源接口的ESD或浪涌防护。
3、对于两者都适合的场合，考虑价格因素，选用压敏电阻。