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TVS二极管介绍及应用,都在这里了
发布者:深圳市踏歌科技湖南福彩网  发布时间:2017-03-23
  便携式设备的ESD保护十分重要,而TVS二极管是一种十分有效的保护器件,与其它器件相比有其独特的优势,但在应用时应当针对不同的保护对象来选用器件,因为不同的端口可能受到的静电冲击有所不同,不同器件要求的保护程度也有不同。要注意相应的参数鉴别以及各个生产商的不同设计,同时还要进行合理的PCB布局。本文介绍在便携式设备的ESD保护中如何应用TVS二极管器件。
  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二极管最显着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。
  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。
  VS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,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二极管的工作原理
  瞬态(瞬变)电压抑制二极管简称TVS器件,在规定的反向应用条件下,当承受一个高能量的瞬时过压脉冲时,其工作阻抗能立即降至很低的导通值,允许大电流通过,并将电压箝制到预定水平,从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受损坏。
  TVS能承受的瞬时脉冲功率可达上千瓦,其箝位响应时间仅为1ps(10^-12S)。
  TVS允许的正向浪涌电流在T =25℃,T=10ms条件下,可达50~200A 。
  双向TVS可在正反两个方向吸收瞬时大脉冲功率,并把电压箝制到预定水平,双向TVS适用于交流电路,单向TVS一般用于直流电路。
  TVS二极管的电特性
  1、单向TVS的V-I特性,单向TVS的正向特性与普通稳压二极管相同,反向击穿拐点近似“直角”为硬击穿,为典型的PN结雪崩器件。从击穿点到Vc值所对应的曲线段表明,当有瞬时过压脉冲时,器件的电流急骤增加而反向电压则上升到箝位电压值,并保持在这一水平上。
  2.双向TVS的V-I特性,双向TVS的V-I特性曲线如同两只单向TVS“背靠背”组合,其正反两个方向都具有相同的雪崩击穿特性和箝位特性,正反两面击穿电压的对称关系为:0.9≤V(BR)(正) /V(BR)(反) ≤1.1,一旦加在它两端的干扰电压超过箝位电压Vc就会立刻被抑制掉,双向TVS在交流回路应用十分方便。
TVS器件特性曲线图
  TVS器件的主要参数
  1. 击穿电压V(BR) 器件在发生击穿的区域内,在规定的试验电流I(BR) 下,测得器件两端的电压称为击穿电压,在此区域内,二极管成为低阻抗的通路。
  2. 最大反向脉冲峰值电流IPP
  在反向工作时,在规定的脉冲条件下,器件允许通过的最大脉冲峰值电流。IPP与最大箝位电压Vc(MAX) 的乘积,就是瞬态脉冲功率的最大值。 使用时应正确选取TVS,使额定瞬态脉冲功率PPR大于被保护器件或线路可能出现的最大瞬态浪涌功率。 当瞬时脉冲峰值电流出现时,TVS被击穿,并由击穿电压值上升至最大箝位电压值,随着脉冲电流呈指数下降,箝位电压亦下降,恢复到原来状态。因此,TVS能抑制可能出现的脉冲功率的冲击,从而有效地保护电子线路。
  3. 最大反向工作电压VRWM(或变位电压)器件反向工作时,在规定的IR下,器件两端的电压值称为最大反向工作电压VRWM。通常VRWM =(0.8~0.9)V (BR) 。
  在这个电压下,器件的功率消耗很小。使用时,应使VRWM 不低于被保护器件或线路的正常工作电压。
  4.最大箝位电压Vc(max ) 在脉冲峰值电流Ipp 作用下器件两端的最大电压值称为最大箝位电压。
  使用时,应使Vc(max )不高于被保护器件的最大允许安全电压。
  最大箝位电压与击穿电压之比称为箝为系数。
  即:箝位系数=Vc(max )/V(BR) 一般箝位系数为1.3左右。
  5.反向脉冲峰值功率PPR TVS的PPR取决于脉冲峰值电流IPP和最大箝位电压Vc(max ),除此以外,还和脉冲波形、脉冲时间及环境温度有关。
  当脉冲时间Tp一定时,PPR =K1...·K2 ·Vc(max ) ·Ipp 式中K1为功率系数,K2为功率的温度系数。
  典型的脉冲持续时间tp为1MS,当施加到瞬态电压抑制二极管上的脉冲时间tp 比标准脉冲时间短时,其脉冲峰值功率将随tp的缩短而增加。TVS的反向脉冲峰值功率PPR与经受浪涌的脉冲波形有关,用功率系数K1表示,各种浪涌波形的K1值如表1所示。
  E=∫i(t).V(t)dt
  式中:
  i(t)为脉冲电流波形,
  V(t)为箝位电压波形。
  这个额定能量值在极短的时间内对TVS是不可重复施加的。但是,在实际的应用中,浪涌通常是重复地出现,在这种情况下,即使单个的脉冲能量比TVS器件可承受的脉冲能量要小得多,但若重复施加,这些单个的脉冲能量积累起来,在某些情况下,也会超过TVS器件可承受的脉冲能量。因此,电路设计必须在这点上认真考虑和选用TVS器件,使其在规定的间隔时间内,重复施加脉冲能量的累积不至超过TVS器件的脉冲能量额定值。
  6.电容CPP TVS的电容由硅片的面积和偏置电压来决定,电容在零偏情况下,随偏置电压的增加,该电容值呈下降趋势。电容的大小会影响TVS器件的响应时间。
  7.漏电流IR 当最大反向工作电压施加到TVS上时,TVS管有一个漏电流IR,当TVS用于高阻抗电路时,这个漏电流是一个重要的参数。
  TVS器件的分类
  按极性可分为:单极性和双极性两种;
  按用途可分为:通用型和专用型;
  按封装和内部结构可分为:轴向引线二极管、双列直插TVS阵列、贴片式和大功率模块等。
  轴向引线的产品峰值功率可达400W、500W、600W、1500W和5000W。
  其中大功率的产品主要用在电源馈线上,低功率产品主要用在高密度安装场合。对于高密度安装的场合,也可以选择双列直插和表面贴装等封装形式。
  TVS器件的选用
  在选用TVS时,应考虑以下几个主要因素:
  (1)若TVS有可能承受来自两个方向的尖峰脉冲电压(浪涌电压)冲击时,应当选用双极性的,否则可选用单极性。
  (2)所选用TVS的Vc值应低于被保护元件的最高电压。Vc是二极管在截止状态的电压,也就是在ESD冲击状态时通过TVS的电压,它不能大于被保护回路的可承受极限电压,否则器件面临被损坏的危险。
  (3)TVS在正常工作状态下不要处于击穿状态,最好处于VR以下,应综合考虑VR和VC两方面的要求来选择适当的TVS。
  (4)如果知道比较准确的浪涌电流IPP,则可利用VCIpp来确定功率;如果无法确定IPP的大致范围,则选用功率大些的TVS为好。PM是TVS能承受的最大峰值脉冲功率耗散值。在给定的最大箝位电压下,功耗PM越大,其浪涌电流的承受能力越大;在给定的功耗PM下,箝位电压VC越低,其浪涌电流的承受能力越大。另外,峰值脉冲功耗还与脉冲波形、持续时间和环境温度有关。 (5)TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的,器件规定的脉冲重复频率(持续时间与间歇时间之比)为0.01%。如果电路内出现重复性脉冲,应考虑脉冲功率的累积,不然有可能损坏TVS。
  (6)对于小电流负载的保护,可有意识地在线路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值适当,一般不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。但这样可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
  (7)电容量C是由TVS雪崩结截面决定的,这是在特定的1 MHz频率下测得的。C的大小与TVS的电流承受能力成正比,C太大将使信号衰减。因此,C是数据接口电路选用TVS的重要参数。对于数据/信号频率越高的回路,二极管的电容对电路的干扰越大,形成噪声或衰减信号强度也大,因此,需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。高频回路一般选择电容应尽量小(如LCTVS、低电容TVS,电容不大于3 pF),而对电容要求不高的回路,电容的容量选择可高于40pF。
  (8)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8 KV(MB,接触)和15 kV(BM,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。而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。
  TVS器件的应用
  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。
  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。
  3. 视频线路的保护
  目前视频常见的输出端口设计有D-SUB、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。
  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。
  5. USB保护
  一般USB的ESD保护分上行和下行两种情况。
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