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如何在便携应用中采用TVS二极管进行ESD保护

上网日期: 2007年10月24日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:瞬态电压抑制? TVS? ESD保护?

TVS二极管的优势

TVS与齐纳二极管:与传统的齐纳二极管相比,TVS二极管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。

图3:TVS二极管具有更好的电压截止因子。
图3:TVS二极管具有更好的电压截止因子。

TVS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。

图4:UM5024 TVS二极管非常适合USB等高速信号应用。
图4:UM5024 TVS二极管非常适合USB等高速信号应用。

TVS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二极管具有更好的电压截止因子(图三),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二极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工作原理

处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法是将瞬时电流从敏感器件引开。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,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基本参数选择

在进行TVS二极管选择时,最基本的应该使它的工作电压VRWN?最大的总线电压;钳位电压Vc?最大的IC工作电压。单路封装的TVS二极管使用简单灵活,PCB焊盘尺寸与0402、0603的分立器件兼容而受到广泛应用,缺点是封装成本比较高。多路封装的ESD阵列节省PCB面积,它的最大优点就是:在外部尺寸极小的封装内提供两个、四个、五个或六个TVS二极管。因此,比较适合在紧凑型手机上应用。

图5:好的PCB布局与不好的PCB布局。
图5:好的PCB布局与不好的PCB布局。

英联电子科技有限公司提供的四路TVS二极管UESD54B(SC-88A/SC-70封装)和UESD55B(SC-8? 封装)、五路的UESD56B(SC-8?封装)以及六路的UESD57B(FBP1616P6 6L封装)都非常适合此类应用。

同时,ESD保护二极管被焊接在I/O连接器附近,用于防止61000-4-2标准规定的8KV接触放电和15KV空气放电时产生的任何损坏。这意味着当通过一个330Ω电阻给一个150pF电容放电时,ESD保护二极管能够抵抗15kV的电压冲击。

  

TVS二极管在超高速数据线路保护中的应用

按照目标应用的信号传输速度选择TVS二极管是设计高效ESD保护功能的关键之一。基本上,信号的数据传输速率越高,ESD保护二极管的电容负载效应就要求越低,只有这样能才能使保护组件在电流信号上产生的损耗降至最低。

实验室的测量结果显示,寄生结电容高于3.5pF的ESD保护二极管可能会在高速数据传输时产生很大的信号衰减。结果可能导致USB2.0收发器无法正常读取数据。而对于USB1.1接口,寄生电容大约50pF的二极管并不会构成任何数据完整性问题。这就是USB2.0的ESD保护组件的额定寄生电容在0V时通常要求低于3pF的主要原因。 例如,在USB2.0的情况中,因为数据传输速率达到480Mbps,所以需要ESD保护组件的电容极低

英联电子科技有限公司新推出的UM5024,它的极间电容很小(Cj=0.9PF),非常适合USB等高速信号线的应用。UM5204的功能框图如图四所示。

       

PCB设计时的考虑

不管选择怎样的TVS器件,它们在电路板上的布局非常重要。TVS布局前的导线长度应该减到最小,因为快速(0.7ns)ESD放电电流在电感性布线上感应出很高的电压尖峰,影响ESD保护的性能。

图6:PCB布线时的优化建议。
图6:PCB布线时的优化建议。

另外,快速ESD脉冲可能在电路板上相邻(平行)导线间产生感应电压。如果上述情况发生,由于将不会得到保护,因为感应电压路径将成为另一条让浪涌到达IC的路径。因此,被保护的输入线不应该被放置在其它单独、未受保护的走线旁边。推荐的ESD抑制器件PCB布局方案应该是:应尽可能的滤除所有的I/O口的干扰信号,靠近连接器/触点PCB侧。图五是PCB布局的建议.

走线时,尽可能缩短高频元器件之间的连线,设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰;输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。最好加线间地线,以免发生反馈藕合。图六是布线时的优化建议。

作者:苏小娟

应用工程师

英联电子科技有限公司


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