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TVS管和压敏电阻ESD防护应用原理

2020-9-24 16:42:10  107 ESD
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这里介绍比较常用的TVS管和压敏电阻。

一、ESD器件的主要性能参数

1、最大工作电压(Max Working Voltage)
允许长期连续施加在ESD保护器件两端的电压(有效值),在此工作状态下ESD器件不导通,保持高阻状态,反向漏电流很小。
2、击穿电压(Breakdown Voltage)
ESD器件开始动作(导通)的电压。一般地,TVS管动作电压比压敏电阻低。
3、钳位电压(Clamping Voltage)
ESD器件流过峰值电流时,其两端呈现的电压,超过此电压,可能造成ESD永久性损伤。
4、漏电流(Leakage Current)
在指定的直流电压(一般指不超过最大工作电压)的作用下,流过ESD器件的电流。一般地,TVS管的反向漏电流是nA级,压敏电阻漏电流是μA级,此电流越小,对保护电路影响越小。
5、电容(Capacitance)
在给定电压、频率条件下测得的值,此值越小,对保护电路的信号传输影响越小。比如硅半导体TVS管的结电容(pF级),压敏电阻的寄生电容(nF级)
6、响应时间(Response time)
指ESD器件对输入的大电压钳制到预定电压的时间。一般地,TVS管的响应时间是ns级,压敏电阻是μs级,此时间越小,更能有效的保护电路中元器件
7、寿命(ESD Pulse Withstanding)
  TVS技术利用的是半导体的钳位原理,在经受瞬时高压时,会立即将能量释放出去,基本上没有寿命限制;而压敏电阻采用的是物理吸收原理,因此每经过一次ESD事件,材料就会受到一定的物理损伤,形成无法恢复的漏电通道,会随着使用次数的增多性能下降,存在寿命限制。

二、TVS管(硅半导体)

瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor)简称TVS,是一种二极管形式的高效能保护器件,利用P-N结的反向击穿工作原理,将静电的高压脉冲导入地,从而保护了电器内部对静电敏感的元件。以TVS二极管为例: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管的失效模式主要是短路,但当通过的过电流太大时,也可能造成TVS管被炸裂而开路。
TVS管有单向和双向两种,单向TVS管的特性与稳压二极管相似,双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串联。
①反向断态电压(截止电压) VRWM与反向漏电流IR:反向断态电压(截止电压)VRWM表示TVS管不导通的最高电压,在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。
②击穿电压VBR:TVS管通过规定的测试电流IT时的电压,这是表示TVS管导通的标志电压。
③脉冲峰值电流IPP:TVS管允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流(8/20μs波的峰值电流约为其5倍左右,8/20μs是定义IPP脉冲波电流),超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在同一个系列中,击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小。
④最大箝位电压VC:TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压。
⑤正向导通电压VF:TVS通过正向导通电流IF的压降。
除上述性能参数外,TVS管还有一个关键参数:P-N结电容Cj。

三、压敏电阻(MLV/MOV)

多层压敏电阻(MLV)及金属氧化物压敏电阻(MOV)利用ZnO等压敏陶瓷材料的压敏特性,实现了对静电的防护,压敏电阻器的电阻体材料是半导体,当施加于压敏电阻器两端电压小于其压敏电压,压敏电阻器相当于10MΩ以上绝缘电阻;当在压敏电阻器两端施加大于压敏电压的过电压时,压敏电阻器的电阻急剧下降呈现低阻态,从而把电荷快速导走,有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏。压敏电阻采用的是物理吸收原理,因此每经过一次ESD事件,材料就会受到一定的物理损伤,形成无法恢复的漏电通道,会随着使用次数的增多性能下降,存在寿命限制问题。

压敏电阻支持双向保护,它的伏安特性是完全对称的,VW:正常工作电压(Working Voltage)。IL:最大Vw工作条件下的漏电电流(Leakage Current)。压敏电阻的失效模式主要是短路,但当通过的过电流太大时,也可能造成阀片被炸裂而开路。

四、TVS管和压敏电阻应用场合

通过对TVS管和压敏电阻的性能对比,根据各自的优点,适合应用场合列下:
1、与压敏电阻比较,TVS管具有响应时间快、钳位电压偏差小、结电容小、反向漏电流小和无寿命限制等优点,因而较适合于信号质量要求高、线漏电要求小等接口的ESD防护,比如高速数据信号传输线、时钟线等。
2、与TVS管比较,压敏电阻的击穿电压VBR和箝位电压VC都相对高,通流能力相对强,具有更强的浪涌脉冲吸收能力,因而较适合于电源接口的ESD或浪涌防护。
3、对于两者都适合的场合,考虑价格因素,选用压敏电阻。

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