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ESD器件安全防護基本原理

2021-03-18
 這兒詳細介紹pcb設計手機上中較為常見的TVS管和壓敏電阻。
 
  一、ESD器件的關鍵技術參數(shù)
  1、較大工作頻率(Max Working Voltage)
  容許長期性持續(xù)釋放在ESD維護器件兩邊的電壓(有效值)，再此工作態(tài)度下ESD器件不通斷，維持高阻情況，反向泄露電流不大。
  2、擊穿場強(Breakdown Voltage)
  ESD器件剛開始姿勢(通斷)的電壓。一般地，TVS管姿勢電壓比壓敏電阻低。
  3、鉗位電壓(Clamping Voltage)
  ESD器件穿過最高值電流時，其兩邊展現(xiàn)的電壓，超出此電壓，將會導致ESD永久損害。
   4、泄露電流(Leakage Current)
  在特定的交流電壓(一般指不超出較大工作頻率)的功效下，穿過ESD器件的電流。一般地，TVS管的反向泄露電流是nA級，壓敏電阻泄露電流是μA級，此電流越小，對維護電源電路危害越小。
  5、電容器(Capacitance)
  在給出電壓、頻率標準下測出的值，此值越小，對維護電源電路的數(shù)據(jù)信號傳送危害越小。例如硅半導體材料TVS管的結電容(pF級)，壓敏電阻的寄生電容(nF級)
  6、響應速度(Response Time)
  指ESD器件對鍵入的大電壓鉗制到預訂電壓的時間。一般地，TVS管的響應速度是ns級，壓敏電阻是μs級，此時間越小，更能合理的維護電源電路中電子器件。
  7、使用壽命(ESD Pulse Withstanding)
   TVS技術性運用的是半導體材料的鉗位基本原理，在承受瞬時速度髙壓時，會馬上將動能釋放出來出來，大部分沒有使用壽命限定；而壓敏電阻選用的是物理學消化吸收基本原理，因而每歷經一次ESD惡性事件，原材料就會遭受一定的物理學損害，產生沒法修復的走電安全通道，會伴隨著應用頻次的增加特性降低，存有使用壽命限定。
 
  二、TVS管(硅半導體材料)
  瞬態(tài)抑止二極管（Transient Voltage Suppressor）通稱TVS，是一種二極管方式的高效率維護器件，運用P-N結的反向熱擊穿原理，將靜電感應的髙壓單脈沖導進地，進而維護了家用電器內部對靜電感應比較敏感的元器件。以TVS二極管為例：當瞬時速度電壓超出電源電路一切正常工作頻率后，TVS二極管便產生山崩，出示給瞬時電流一個極低電阻器通道，其結果是瞬時電流根據(jù)二極管被引開，繞開被維護器件，而且在電壓修復標準值以前使被維護控制回路一直維持截至電壓。當瞬時速度單脈沖完畢之后，TVS二極管自動回復內容高阻情況，全部控制回路進到一切正常電壓。TVS管的無效方式關鍵是短路故障，但當根據(jù)的過電流很大時，也將會導致TVS管被爆裂而引路。
  TVS管有單邊和雙重二種，單邊TVS管的特性與穩(wěn)壓二極管類似，雙重TVS管的特性等于2個穩(wěn)壓二極管反向串接，其I-V曲線圖特性圖見圖1，圖中技術參數(shù)注釋：
  ①反向斷態(tài)電壓(截至電壓) VRWM與反向泄露電流IR：反向斷態(tài)電壓(截至電壓)VRWM表達TVS管不通斷的最多電壓，在這一電壓下只能不大的反向泄露電流IR。
  ②擊穿場強VBR：TVS管根據(jù)要求的檢測電流IT時的電壓，它是表達TVS管導通的標示電壓。
  ③單脈沖最高值電流IPP：TVS管容許根據(jù)的10/1000μs波的較大最高值電流（8/20μs波的最高值電流約為其5倍上下，8/20μs是界定IPP單脈沖波電流，請參照下面的圖2），超出這一電流就將會導致永久受損。在同一個系列產品中，擊穿場強越高的水管容許根據(jù)的最高值電流越小。
  ④較大箝位電壓VC：TVS管穿過單脈沖最高值電流IPP時兩邊所展現(xiàn)的電壓。
  ⑤正指導通電壓VF：TVS根據(jù)正指導通電流IF的壓力降。
  除所述技術參數(shù)外，TVS管還有一個重要主要參數(shù)：P-N結電容Cj。
 
  三、壓敏電阻(MLV/MOV)
  多層高層壓敏電阻(MLV)及氫氧化物壓敏電阻(MOV)運用ZnO等壓敏這種材質的壓敏特性，保持了對靜電感應的安全防護，壓敏電阻器的電阻器體原材料是半導體材料，當釋放于壓敏電阻器兩端電壓低于其壓敏電壓，壓敏電阻器等于10MΩ左右接地電阻；如在壓敏電阻器兩邊釋放超過壓敏電壓的過壓時，壓敏電阻器的電阻器驟降展現(xiàn)低阻態(tài)，進而把電荷迅速導走，合理地維護了電源電路中的其他電子器件不至于過流保護而受損。壓敏電阻選用的是物理學消化吸收基本原理，因而每歷經一次ESD惡性事件，原材料就會遭受一定的物理學損害，產生沒法修復的走電安全通道，會伴隨著應用頻次的增加特性降低，存有使用壽命限定難題。
  壓敏電阻兼容雙重維護，它的伏安特性是徹底對稱性的，見圖5，VW：一切正常工作頻率(Working Voltage)。IL：較大Vw工作中標準下的走電電流(Leakage Current)。壓敏電阻的無效方式關鍵是短路故障，但當根據(jù)的過電流很大時，也將會導致泵殼被爆裂而引路。
 
  四、TVS管和壓敏電阻運用場所
  根據(jù)對TVS管和壓敏電阻的特性比照，依據(jù)分別的優(yōu)勢，合適運用場所列下：
  1、與壓敏電阻較為，TVS管具備響應速度快、鉗位電壓誤差小、結電容小、反向泄露電流寸和無使用壽命限定等優(yōu)勢，因此較合適于數(shù)據(jù)信號品質規(guī)定高、線走電規(guī)定小等插口的ESD安全防護，  例如髙速網絡信號傳輸線、鐘表線等。
  2、與TVS管較為，壓敏電阻的擊穿場強VBR和箝位電壓VC都相對性高，載流工作能力相對性強，具備更強的浪涌單脈沖吸收力，因此較合適于電源接口的ESD或浪涌安全防護。
  3、針對二者都合適的場所，考慮到價錢要素，采用壓敏電阻。