TVS二极管在便携设备ESD中应用

　　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。

　　TVS二极管的特点

　　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二极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二极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二极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。

　　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。

　　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相关参数

　　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二极管在线路板上是与被保护线路并联的，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，并且在电压回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降级变化，而只要工作在限定范围内，二极管是不会发生损坏或降级的。

　　从以上过程可以看出，在选择TVS二极管时，必须注意以下几个参数的选择（图3）：

　　1．为了满足IEC61000-4-2国际标准，TVS二极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这是二极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，否则二极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工作以前使整个回路面