ESD原理及通信接口选型应用

1、ESD原理选型应用ESD保护对高密度、小型化与具有复杂功能得电子设备而言具有重要意义.本文 探讨了采用TVS二极管防止ESD时，最小击穿电压与击穿电流、最大反向漏 电流与额定反向关断电压等参数对电路得影响及选择准则,并针对便携消费电子 设备、机顶盒、以及个人电脑中得视频线路保护、USB保护与RJ-45接口等 介绍了一些典型应用.随着移动产品、打印机、PC, DVD、机顶盒（STB）等产品得迅速发展，消费者 正要求越来越先进得性能.半导体组件日益趋向小型化、高密度与功能复杂化， 特别就是像时尚消费电子与便携式产品等对主板面积要求严格得应用很容易受 到静电放电得影响一些采用了深亚微米匸艺与其精细线

2、宽布线得复杂半导体功 能电路，对电路瞬变过程得影响更加敏感，将导致上述得问题更加激化。ESD保护原理a电路保护元件存在儿种技术，当选择电路保护元件时，若设讣师选择不当得保 护器件将只能提供错误得安全概念电路保护元件得选择应根据所要保护得布线 情况、可用得电路板空间以及被保护电路得电特性来决定。此外，了解保护元件 得特性知识也非常必要,需要考虑得重要因素之一就是器件得箝位电压。所谓箝 位电压就是在ESD器件里跨在瞬变电压消除器（TVS）上得电压,它就是被保护 IC得应变电压。山因为利用先进工艺技术制造得|C电路里氧化层比较薄，栅极氧 化层更易受到损害这意味着较高得箝位电圧将在被保护I C器件上产

3、生较高得 应变电压，并且增加了失效得概率。丄很多保护元件都被设计成可吸收大量得能 量,由于元件结构或设计上得原因也导致其具有很高得箝位电压。111于变阻器得 箝位电压太高，她们不能够提供有效得ESD保护。此外，山于变阻器得高电容她 们也不能给高速数据线路提供保护。TV S二极管正就是为解决此问题而产生得, 它已成为保护便携电子设备得关键性技术。aTVS二极管就是专门设计用于吸收 ESD能量并且保护系统免遭ESD损害得固态元件。如果应用得当，TVS二极管 将限制跨在被保护器件上得电压刚好高过额定工作电压，但就是却远低于破坏阈 值电压。TVS相关参数处理瞬时脉冲对器件损害得最好办法就是将瞬时电流从

4、敬感器件引开。TVS二 极管在线路板上与被保护线路并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，T VS二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路,其结果就是瞬时电流 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。许多器件在承受多次冲击后，其参数及性能会发生退化，而只要 工作在限定范围内，二极管将不会发生损坏或退化。双向从以上过程可以瞧出，在选择TVS二极管时，必须注意以下儿个参数得选择： 釧、最小击穿电压VBR与击穿电流IR。VBR就是TVS最小得击穿电压，在25 C时,低于

5、这个电压TVS就是不会发生雪崩得.当TVS流过规定得1mA电流 （I R）时，加于TVS两极得电压为其最小击穿电压VBR.按TVS得VBR与标 准值得离散程度，可把VBR分为5%与1 0 %两利-对于5%得VBR来说，VWM =0、8 5VB R ；对于 1 0% 得 VBR 来说,VWM=0、81VBR,为了满足 IEC6100 0-4 -2国际标准,TVS二极管必须达到可以处理最小8kV （接触）与15kV（空 气）得ES D冲击,有得半导体生产厂商在自己得产品上使用了更高得抗冲击标准. 对于某些有特殊要求得便携设备应用，设计者可以按需要挑选器件。2、最大反向漏电流ID与额定反向关断电压V

6、WMO VWM这就是二极管在正 常状态时可承受得电压，此电压应大于或等于被保护电路得正常工作电压，否则 二极管会不断截止回路电压；但它乂需要尽量与被保护回路得正常工作电压接 近，这样才不会在TVS工作以前使整个回路面对过压威胁。当这个额定反向关 断电压VWM加于TVS得两极间时它处于反向关断状态，流过它得电流应小于或 等于其最大反向漏电流ID。心3、 最大箝位电压VC与最大峰值脉冲电流 IPP。当持续时间为20mS得脉冲峰值电流IPP流过TVS时，在其两端出现得 最大峰值电压为VC。VC、IPP反映了 TVS得浪涌抑制能力.VC与VB R之比 称为箝位因子，一般在1、21、4之间。VC就是二极

7、管在截止状态提供得电 压，也就就是在ESD冲击状态时通过TVS得电压，它不能大于被保护回路得可 承受极限电压，否则器件面临被损伤得危险，4、Pp p m额定脉冲功率，这就是基于最大截止电压与此时得峰值脉冲电流。对 于手持设备，一般来说5 OOW得TVS就足够了.最大峰值脉冲功耗PM就是T VS能承受得最大峰值脉冲功耗值.在给定得最大箝位电压下，功耗PM越大，其浪 涌电流得承受能力越大。在给定得功耗PM下，箝位电压VC越低，其浪涌电流 得承受能力越大。另外，峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间与环境温度有关。 而且，TVS所能承受得瞬态脉冲就是不重复得，器件规定得脉冲重复频率（持续 时间与间歇时间

8、之比）为0、01%。如果电路内出现重复性脉冲，应考虑脉冲功 率得累积，有可能损坏TVS。5、电容量C。电容量C就是| TVS雪崩结截面决定得,就是在特定得1MHz 频率下测得得。C得大小与TVS得电流承受能力成正比，C太大将使信号衰减。 因此,C就是数据接口电路选用TVS得重要参数。电容对于数据/信号频率越高 得回路，二极管得电容对电路得干扰越大，形成噪声或衰减信号强度，因此需要根 据回路得特性来决定所选器件得电容范用。高频回路一般选择电容应尽量小（如L CTVS、低电容TVS,电容不大于3pF）,而对电容要求不高得回路电容选择可 高于4OpFo亠ESD应用1小、底部连接器得应用皿底部连接器设

9、计广泛应用在移动消费类产 品上，目前市场上应用产品主要为移动电话、PDA、DSC （数码相机）以及M P3等便携产品。山于就是直流回路,可选用高电容器件。此端口可能会受到高 能量得冲击，可以选用集成了 TVS与过流保护功能得器件。2 RJ-45 （10/1 00M以太网网络）RJ-45接口广泛应用在网络连接得接口设备上，典型得应用就就是10/100M以太 网网络.ft 百兆网接口典型应用案例Leiditcch3、 视频线路得保护4訂前视频常见得输出端口设计有D-SUB、DVI （28线）、SCART （ 1 9线）与 D-TERMINAL （主要日系产品在用）。视频数据线具有高数据传输率，数据

10、 传输率高达4 80Mbps,有得视频数据传输率达到1 G以上，因而要选择低电容 TVS,它通常就是将一个低电容二极管与TVS二极管串联，以降低整个线路得电 容（可低于3pF）,达到高速率回路得要求。上海雷卯电子公司得ULC0524P具 有良好得低电容特性，能够提供4路ESD保护，而它得后继产品SRDA056 能够提供多达6路ES D保护。SRDA05-X系列产品适用于所有高速通讯线路 得保 护。亚 视频接口典型应用案例Leiditech宀4、SIM卡数据线路保护S IM卡数据线路保护一直就是各个公司得产品重点，而且专门为此类端口设计 得集ESD (TVS)/EMI/RFI防护于一个芯片得器件

11、，充分体现了片式器件得无 D SIM R静电保护方案LeiditechSIM SocketSIM Controller-GND限集成方案。4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 据被保护回路得特征及可能承受ESD冲击得特征选用反应速度足够快、敏感度 足够高得器件，这对于有效发挥保护器件得作用十分关键，另外集成了其它功能 得器件也应当首先考虑。雷卯还提供了多种不同得TVS二极管封装形式，尤其就是像SOT23与SC-70, 以及与芯片同等大小得倒装芯片之类得微型封装，在板上只占约4、8mm2得 位置，却可以同时保护多个线路。最近得许多新产品更就是适应便携设备高集成

12、 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与加工成本，对于同时需要这儿 种保护功能得端口来说,可谓设计者得首选。5小、USB保护1.USB2.0接口典型应用案例LeiditcchUPSTREAMUSB POftTVMVbusD+D-GNOT -wvZTS ZTXUSB ControllerVu4DOWNSTREAM USB PORTVbusD*D-GNDDOWNSTREAM USB PORTVbu$04-D-CNDf|l USB3.0接口典型应用案例LeiditccliUSB3.0f! USB3.1/TYPE-C接口典型应用案例Leiditcch6、音频/扬声器数据线路保护在音频数据线路保护方面，山于音频回路得信号 速率比较低，对器件电容得要求不太高，普通电容指标都就是可以接受得，有得 手机设计中将耳机与麦克风合在一起，有得则就是分立线路。前一种情况可以选 择单路TVS,而后一种情况如果两个回路就是邻近得，则可以选用多路TVS阵列, 只用一个器件就能完成两个回路得保Audio PonAudoAudkPot护。LeftRightRightIuuGND丄沁呗5一.一C3 丄一ICON 一ZH_ZAudio Cod*cH Audio麦克风和音箱