TVS二极管:为便携电子设备提供有效的ESD保护

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ESD应用

1.底部连接器的应用

底部连接器设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MP3等便携产品。

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。

如图1所示，是便携产品的底部连接器保护电路的示意图，其中的数据线保护IC为NZQA5V6XV5T1、NZQA6V2XV5T1、NZQA6V8XV5T1、NZQA8V2XV5T1、NZQA5V6AXV5T1、NZQA6V8AXV5T1、MSQA6V1W5T2、SMF05T1和NSQA6V8AW5T2。

以上产品都带4个单相独立线路ESD保护，其中MSQA系列、NSQA系列和SMF05的封装形式是SC-88A，NZQA系列的封装形式是SOT-553。其中NZQA5V6XV5是5.6V单向式TVS保护器件；NZQA6V2XV5是6.2V单向式TVS保护器件；NZQA6V8XV5是6.8V单向式TVS保护器件；NZQA6V8AXV5是6.8V单向式、低电容TVS保护器件；NUP4102XV6是14V双向式、低电容TVS。这些SOT5xx封装的TVS器件均针对260℃回焊温度处理工艺生产，符合100%无铅和静电放电保护的要求，比传统的SC88封装减少电路板空间达36%，降低厚度40%，适合用于对电路板空间要求严格的便携设备，如手机、数码相机、MP3播放器。

2 RJ-45(10/100M以太网网络)

RJ-45接口广泛应用在网络连接的接口设备上，典型的应用就是10/100M以太网网络。

如图2所示，RJ-45数据线保护主要应用了安森美公司的低电容瞬态电压抑制二极管--SL05，工作电压是5V。实际上该公司有一系列的SLXX产品，产品从SL05到SL24，工作电压覆盖5V、12V、15V、24V。符合IEC 61000-4-2(ESD)15kV(空气)8kV(接触)/IEC 61000-4-4(EFT)40A(5/50ns)/IEC 61000-4-5(Lightning)12A(8/20us)标准，除了用在LAN/WAN设备上，还适合用于高速数据线保护，移动电话和USB端口的保护。

3. 视频线路的保护

目前视频常见的输出端口设计有D-SUB(如图3)、DVI(28线)、SCART(19线)和D-TERMINAL(主要日系产品在用)。视频数据线具有高数据传输率，数据传输率高达480Mbps，有的视频数据传输率达到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二极管串联，以降低整个线路的电容(可低于3pF)，达到高速率回路的要求。ONSEMI半导体公司的SRDA05-4具有良好的低电容特性，能够提供4路ESD保护，而它的后继产品SRDA05-6能够提供多达6路ESD保护。SRDA05-X系列产品适用于所有高速通讯线路的保护。

4. SIM卡数据线路保护

SIM卡数据线路保护一直是各个公司的产品重点,而且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。

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二极管封装形式，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(图4)。

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5. USB保护

一般USB的ESD保护分上行(图5)和下行(图6)两种情况。针对USB 1.1的ESD保护下行主要采用了NUF2101，上行ESD保护采用STF202或者NUF2221W1T2。这些产品即能满足USB线路终端的ESD保护，还具有良好的滤波功能。

6. 音频/扬声器数据线路保护

在音频数据线路保护方面(图6)，由于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。有的手机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，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。

7. 按键/开关

对于按键和开关回路，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阵列都可以胜任。

本文总结

以上的产品主要是针对数据线路的ESD保护。在表1中所列器件中有四款是专为为USB、以太网、防火墙和其他高速数据应用设计的滤波器。这些器件符合USB的所有要求，包括电磁干扰滤波和上行/下行端口的线路终端。这些新型集成元件均能替代目前需采用12个元件的分立元件解决方案。八款新型器件提供静电放电(ESD)保护，具有业界最低电容。这些新型保护器件均通过了15千伏接触放电测试，测试标准高于IEC61000的8千伏ESD标准。这些器件具有1.5皮法电容典型值，确保了数据线速度以及数据完整性。

此外，对于便携式设备来说，各类集成电路的复杂性和精密度的提高使它们对ESD也更加敏感，以往的通用回路设计也不再适合。合理的PCB布局最重要的是要在使用TVS二极管保护ESD损害的同时避免自感。ESD设计很可能会在回路中引起寄生自感，会对回路有强大的电压冲击，导致超出IC的承受极限而造成损坏。负载产生的自感电压与电源变化强度成正比，ESD冲击的瞬变特征易于诱发高强自感。减小寄生自感的基本原则是尽可能缩短分流回路，必须考虑到包括接地回路、TVS和被保护线路之间的回路，以及由接口到TVS的通路等所有因素。所以，TVS器件应与接口尽量接近，与被保护线路尽量接近，这样才会减少自感耦合到其它邻近线路上的机会。

在电路板设计中还应注意以下几点：尽量避免在保护线路附近走比较关键的信号线，尽量将接口安排在同一个边上；采用高集成度器件，二极管阵列不但可以大大节约线路板上的空间，而且减少了由于回路复杂可能诱发的寄生性线路自感的影响；避免被保护回路和未实施保护的回路并联，将接口信号线路和接地线路直接接到保护器件上，然后再进入回路的其它部分，将复位、中断、控制信号远离输入/输出口，远离PCB的边缘；各类信号线及其馈线所形成的回路所环绕面积要尽量小，必要时可考虑改变信号线或接地线的位置；在可能的地方都加入接地点。

编辑：小宇