ESD器件

ESD器件概述

ESD保护元件的作用是转移来自敏感元件的ESD应力，使电流流过保护元件而非敏感元件，同时维持敏感元件上的低电压；ESD保护元件还应具有低泄漏和低电容特性，不会降低电路功能；不会对高速信号造成损害，在多重应力作用下保护元件的功能不会下降。

瞬态电压抑制器(TVS)、压敏电阻和聚合物是近几年发展起来的几种专用ESD保护元件。其中前两种元件均采用电压钳位的方式进行保护，采用带导电粒子的聚合物则是采用消弧(crowbar)保护策略。压敏电阻和聚合物支持双向保护，但TVS可支持单向或双向保护。传统的压敏电阻虽然在成本上具有一定优势，但它存在的一个最大问题是体积太大，无法满足手持设备的封装要求。事实上，与压敏电阻相比，基于硅材料的TVS和聚合物材料ESD具有更好的钳制性能、更低的泄漏和更长的使用寿命。

­  高分子聚合物和TVS在多重应力下仍然可保持强大的性能，而压敏电阻则会随着使用次数的增多性能下降。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，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。“TVS技术的原理就好像传统的打太极，可以轻松释放掉能量而不是直接与之对抗”。这样做的好处是器件不会受到损害，基本上没有寿命限制。

从现场展示的TVS与压敏电阻的钳制电压曲线来看，TVS器件可以在极短时间内将输入的大电压钳制到5至6伏的水平，而压敏电阻的曲线则下降得非常缓慢，并且无法达到TVS器件的效果。这表明TVS器件在响应时间和钳制性能方面均优于压敏电阻。

几种ESD器件的比较

1、普通二极管，只能起到箝制电压的作用，不能响应高达几百兆频率的ESD脉冲。

2、压敏电阻/热敏电阻/PTC，压敏电阻抗一次ESD脉冲后特性就会改变，而ESD保护器件抗几万次也不会改变特性。

3、压敏电阻能承受更大的浪涌电流，而且其体积越大所能承受的浪涌电流越大，最大可达几十kA到上百kA；但压敏电阻的非线性特性较差，大电流时限制电压较高，低电压时漏电流较大。

4、TVS管的非线性特性和稳压管一样，击穿前漏电流很小，击穿后是标准的稳压特性，比起压敏电阻来TVS管最大箝位电压偏离击穿电压较小，优于压敏电阻，但通流能力比压敏电阻较小。

5、从反应速度来看，TVS管的反应速度很快，为ps级，而压敏电阻反应速度较慢，为ns级。另外，两者的电容都较大（TVS管也有低电容产品）。

6、TVS管的可靠性高，不易劣化，使用寿命长。而压敏电阻的可靠性较差，易老化，使用寿命较短

瞬态抑制二极管

概述：瞬态抑制二极管简称TVS (Transient Voltage Suppressor )，TVS的电气特性由P-N结面积，参杂浓度及晶片阻质决定的。其耐突波电流的能力与其P-N结面积成正比。

特点：反映速度快(为pS级)，体积小，箝位电压低，可靠性高。10/1000μs波脉冲功率从400W～30000W，脉冲峰值电流从几安～几百安。常用的TVS管的击穿电压有从5V到550V的系列值。且可靠性高，在TVS管规范之工作范围内，性能可靠，不易劣化，使用寿命长。

TVS的选型

最大箝位电压VC要小于电路允许的最大安全电压。

截止电压VRWM大于电路的最大工作电压，一般可以选择VRWM等或者略大于电路的最大工作电压。

额定的最大脉冲功率（TVS参数中给出） PM要大于最大瞬态浪涌功率。

TVS的特性

TVS使用指南

1、TVS管使用时一般并联在被保护电路上。为了限制流过TVS管的电流不超过管子允许通过的峰值电流IPP，应在线路串联加限流元件，如电阻、自恢复保险丝、电感等。

2、击穿电压VBR的选择：TVS管的击穿电压应根据线路最高工作电压US按公式：VBRmin≥1.2US 或 VRWM ≥1.1US 选择。

3、脉冲峰值电流IPP的选择：当TVS管单独使用时，要根据线路上可能出现的最大浪涌电流来选择合适的型号。当TVS管在放电管后作为第二级保护时，一般用500W～600W的就可以了。

4、用于信号传输电路保护时，一定要注意所传输信号的频率或传输速率。当信号频率或传输速率较高时,应选用低电容系列的管子：信号频率（传输速率）≥10MHz（Mb/s），Cj≤60pF；信号频率（传输速率）≥100 MHz（Mb/s），Cj≤20pF。当低电容系列仍满足不了要求时，就应把TVS管串联到高速二极管组成的桥路中。

MOV压敏电阻

　　 压敏电阻的响应时间为ns级，比空气放电管快，比TVS管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。压敏电阻的结电容一般在几百到几千Pf的数量级范围，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。压敏电阻的通流容量较大，但比气体放电管小。

压敏电阻有什么用？压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阈值"UN"时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过UN时，它的阻值变小，这样就使得流过它的电流激增而对其他电路的影响变化不大从而减小过电压对后续敏感电路的影响。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。

分类

浪涌抑制型：是指用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器，这种瞬态过电压的出现是随机的，非周期的，电流电压的峰值可能很大。绝大多数压敏电阻器都属于这一类。

高功率型：是指用于吸收周期出现的连续脉冲群的压敏电阻器，例如并接在开关电源变换器上的压敏电阻，这里冲击电压周期出现，且周期可知，能量值一般可以计算出来，电压的峰值并不大，但因出现频率高，其平均功率相当大。

高能型：指用于吸收发电机励磁线圈，起重电磁铁线圈等大型电感线圈中的磁能的压敏电压器，对这类应用，主要技术指标是能量吸收能力。

4. 压敏电阻的基本参数

　　1． 标称压敏电压(V)：指通过规定持续时间的脉冲电流（一般为1mA 持续时间一般小于400mS）时压敏电阻器两端的电压值。(一般V1mA=1.5Vp=2.2VAC，式中，Vp为电路额定电压的峰值。VAC为额定交流电压的有效值)

　　2．电压比：指压敏电阻器的电流为1mA时产生的电压值与压敏电阻器的电流为0.1mA时产生的电压值之比。

　　3． 最大限制电压(V)：在压敏能承受的最大脉冲峰值电流Ip及规定波形下压敏电阻两端电压峰值。

　　4． 残压比：通过压敏电阻器的电流为某一值时，在它两端所产生的电压称为这一电流值的残压。残压比则是残压与标称电压之比。

　　5． 通流容量(kA)：通流容量也称通流量，是指在规定的条件（规定的时间间隔和次数，施加标准的冲击电流）下，允许通过压敏电阻器上的最大脉冲（峰值）电流值。

　　6． 漏电流(mA)：漏电流也称等待电流，是指压敏电阻器在规定的温度和最大直流电压下，流过压敏电阻器电流。

　　7． 电压温度系数：指在规定的温度范围（温度为20℃～70℃）内，压敏电阻器标称电压的变化率，即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时，温度改变1℃时，压敏电阻器两端电压的相对变化。

　　8． 电流温度系数：指在压敏电阻器的两端电压保持恒定时，温度改变1℃时，流过压敏电阻器电流的相对变化。

　　9． 电压非线性系数：指压敏电阻器在给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。

　　10． 绝缘电阻：指压敏电阻器的引出线（引脚）与电阻体绝缘表面之间的电阻值。

　　11． 静态电容量（PF）：指压敏电阻器本身固有的电容容量。

　　12 .额定功率：在特定的环境温度85℃下工作1000小时，使压敏电压变化小于10%的最大功率。

　　13 .最大冲击电流(8/20us):以特定的脉冲电流(8/20us波形)冲击压敏电阻器一次或两次（每次间隔5分钟）， 使的压敏电压变化仍在10%以内的最大冲击电流。

ESD

ESD保护器件具有如下优秀特性。

l非常低的箝位电压；

l非常出色的ESD防护能力，高达30KV；

l完全符合IEC61000-4-2，Level 4标准和HBM MIL-Std 883，class 3认证；

l非常低的结电容，低至1pF；

l超低的漏电流，远小于1μA；

l快速的响应时间，远小于1ns；

l无铅超小封装。

表1.2  ESD器件关键参数表

VC箝位电压

V_C箝位电压指脉冲电压通过ESD保护器件后，所被箝位的电压。如12V的脉冲信号，经过PESD5V0L2BT箝位后，电压降为5V。

ESD保护器件具有如下优秀特性。

l非常低的箝位电压；

l非常出色的ESD防护能力，高达30KV；

l完全符合IEC61000-4-2，Level 4标准和HBM MIL-Std 883，class 3认证；

l非常低的结电容，低至1pF；

l超低的漏电流，远小于1μA；

l快速的响应时间，远小于1ns；

l无铅超小封装。

VRWM 反向关断电压

ESD保护器件的反向关断电压应大于被保护线路工作电压，如下图所示。

PPP 峰值脉冲功率

P_PP峰值脉冲功率为ESD器件上瞬间通过的功率值，如300W@8/20us，在此功率范围内，ESD保护器件能够正常工作。

NXP ESD保护器件的分类及原理

①基于齐纳二极管（Zener Basic）的PESD系列；

②轨到轨（RTR＋Zener混合）的PRTR系列，此系列不是上图的“Rail-to-Rail系列”；

③混合了EMI滤波器，缓冲器，电平转换等功能的IP系列。

PESD系列

       PESD系列是基于齐纳二极管的ESD保护器件，反向起作用。ESD脉冲反向通过时，超过V_RWM的电压被释放掉。PESD系列分单向和双向两种极性，对线路如何起到保护作用和接法用图例说明

PRTR系列

       Rail-to-Rail（RTR）翻译成“轨到轨”，用两个开关二极管串联，被保护的线路接中间，两端一头接正参考源（如电源），一头接负参考源（如地）。因开关二极管是正向起作用，当被保护的线路上有瞬时高压脉冲进入，正向脉冲会通过接到正参考源的二极管释放，负向脉冲会通过接到负参考源的二极管释放。

轨到轨保护器件的接法：中间接被保护线路，V_REF1接正参考源（一般接电源），V_REF2接负参考源（一般接地）。因二极管导通压降0.7V，故信号电压范围被限制在V_REF1+0.7V～V_REF2-0.7V之间。RTR型器件连接方法如下图所示。

IP系列

       IP系列是NXP为手持电子设备和消费类电子产品保护高速通讯端口而推出的，不但包含ESD保护功能，还集成了EMI滤波、电平切换、缓冲等功能。使之满足成本和电路板空间都有苛刻要求的应用，如：手机，VGA，LCD TV，HDMI，USB，音频，视频，TCP/IP，STB，LVDS等。IP系列对各种应用有很强的针对性，应用方法非常简单，在应用篇再详细说明。下图为IP系列某些器件内部结构示意图。

几种厂家ESD器件参数

顺雷器件

TVS瞬态抑制二极管

TVS-ESD

聚合物型ESD

安森美

TVS瞬态抑制二极管

ESD保护系列

NXP

低容抗<25pf< span="">

标准容抗

轨到轨ESD