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          ESD保護器原理與應用
          發布者:深圳市踏歌科技有限公司  發布時間:2016-08-01
            ESD保護器原理
            電路保護元件存在幾種技術,當選擇電路保護元件時,若設計師選擇不當的保護器件將只能提供錯誤的安全概念。電路保護元件的選擇應根據所要保護的布線情況、可用 的電路板空間以及被保護電路的電特性來決定。此外,了解保護元件的特性知識也非常必要,需要考慮的重要因素之一是器件的箝位電壓。所謂箝位電壓是在ESD 器件里跨在瞬變電壓消除器(TVS)上的電壓,它是被保護IC的應變電壓。
          ESD保護器原理
            因為利用先進工藝技術制造的IC電路里氧化層比較薄,柵極氧化層更易受到損害。這意味著較高的箝位電壓將在被保護IC器件上產生較高的應變電壓,并且增加了失效的概率。
            很多保護元件都被設計成可吸收大量的能量,由于元件結構或設計上的原因也導致其具有很高的箝位電壓。由于變阻器的箝位電壓太高,他們不能夠提供有效的ESD 保護。此外,由于變阻器的高電容他們也不能給高速數據線路提供保護。TVS二極管正是為解決此問題而產生的,它已成為保護便攜電子設備的關鍵性技術。
            TVS二極管是專門設計用于吸收ESD能量并且保護系統免遭ESD損害的固態元件。如果應用得當,TVS二極管將限制跨在被保護器件上的電壓剛好高過額定工作電壓,但是卻遠低于破壞閾值電壓。
            ESD保護器應用
            1.底部連接器的應用
            底部連接器設計廣泛應用在移動消費類產品上,目前市場上應用產品主要為移動電話、PDA、DSC(數碼相機)以及MP3等便攜產品。
            由于是直流回路,可選用高電容器件。此端口可能會受到高能量的沖擊,可以選用集成了TVS和過流保護功能的器件。
            如圖1所示,是便攜產品的底部連接器保護電路的示意圖,其中的數據線保護IC為NZQA5V6XV5T1、NZQA6V2XV5T1、 NZQA6V8XV5T1、NZQA8V2XV5T1、NZQA5V6AXV5T1、NZQA6V8AXV5T1、MSQA6V1W5T2、 SMF05T1和NSQA6V8AW5T2。
            以上產品都帶4個單相獨立線路ESD保護,其中MSQA系列、NSQA系列和SMF05的封裝 形式是SC-88A,NZQA系列的封裝形式是SOT-553。其中NZQA5V6XV5是5.6V單向式TVS保護器件;NZQA6V2XV5是 6.2V單向式TVS保護器件;NZQA6V8XV5是6.8V單向式TVS保護器件;NZQA6V8AXV5是6.8V單向式、低電容TVS保護器件; NUP4102XV6是14V雙向式、低電容TVS。這些SOT5xx封裝的TVS器件均針對260℃回焊溫度處理工藝生產,符合100%無鉛和靜電放電 保護的要求,比傳統的SC88封裝減少電路板空間達36%,降低厚度40%,適合用于對電路板空間要求嚴格的便攜設備,如手機、數碼相機、MP3播放器。
            2 RJ-45(10/100M以太網網絡)
          ESD保護器應用
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            RJ-45接口廣泛應用在網絡連接的接口設備上,典型的應用就是10/100M以太網網絡。
            如圖2所示,RJ-45數據線保護主要應用了安森美公司的低電容瞬態電壓抑制二極管--SL05,工作電壓是5V。實際上該公司有一系列的SLXX產品,產 品從SL05到SL24,工作電壓覆蓋5V、12V、15V、24V。符合IEC 61000-4-2(ESD)15kV(空氣)8kV(接觸)/IEC 61000-4-4(EFT)40A(5/50ns)/IEC 61000-4-5(Lightning)12A(8/20us)標準,除了用在LAN/WAN設備上,還適合用于高速數據線保護,移動電話和USB端口 的保護。
            3. 視頻線路的保護
            目前視頻常見的輸出端口設計有D-SUB(如圖3)、DVI (28線)、SCART(19線)和D-TERMINAL(主要日系產品在用)。視頻數據線具有高數據傳輸率,數據傳輸率高達480Mbps,有的視頻數 據傳輸率達到1G以上,因而要選擇低電容LCTVS,它通常是將一個低電容二極管與TVS二極管串聯,以降低整個線路的電容(可低于3pF),達到高速率 回路的要求。ONSEMI半導體公司的SRDA05-4具有良好的低電容特性,能夠提供4路ESD保護,而它的后繼產品SRDA05-6能夠提供多達6路ESD保護。SRDA05-X系列產品適用于所有高速通訊線路的保護。
            4. SIM卡數據線路保護
            SIM卡數據線路保護一直是各個公司的產品重點,而且專門為此類端口設計的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護于一個芯片的器件,充分體現了片式器件的無限集成方案。
            在針對不同用途選擇器件時,要避免使器件工作在其設計參數極限附近,還應根據被保護回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征選用反應速度足夠快、敏感度足夠高的器件,這對于有效發揮保護器件的作用十分關鍵,另外集成了其它功能的器件也應當首先考慮。
          ESD保護器應用
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            眾多半導體廠商提供了多種不同的TVS二極管封裝形式,尤其是像SOT23和SC-70,以及與芯片同等大小的倒裝芯片之類的微型封裝,在板上只占約4.8mm2的 位置,卻可以同時保護多個線路。最近的許多新產品更是適應便攜設備高集成度、小型化要求,將EMI/RFI/ESD保護集成在一個器件中,不但可以有效縮 小空間,還大大減少了成本,降低了器件采購成本和加工成本,對于同時需要這幾種保護功能的端口來說,可謂設計者的首選(圖4)。
            5. USB保護
            一般USB的ESD保護分上行(圖5)和下行(圖6)兩種情況。針對USB 1.1的ESD保護下行主要采用了NUF2101,上行ESD保護采用STF202或者NUF2221W1T2。這些產品即能滿足USB線路終端的ESD保護,還具有良好的濾波功能。
            6. 音頻/揚聲器數據線路保護
            在音頻數據線路保護方面(圖6),由于音頻回路的信號速率比較低,對器件電容的要求不太高,100pF左右都是可以接受的。有的手機設計中將耳機和麥克風合 在一起,有的則是分立線路。前一種情況可以選擇單路TVS,而后一種情況如果兩個回路是鄰近的,則可以選用多路TVS陣列,只用一個器件就能完成兩個回路 的保護。
            7. 按鍵/開關
            對于按鍵和開關回路,這些回路的數據率很低,對器件的電容沒有特殊要求,用普通的TVS陣列都可以勝任。
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