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电子元器件基础知识

杭州东沃电子为您讲述有关于二极管,放电管,自恢复保险丝,压敏电阻,ESD等知识。

 
 
 

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防护ESD的新方案  

2016-03-17 10:05:57|  分类: ESD静电保护器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       防护ESD现象可用电路或元件集成来进行改善,但目前在电子电路缩小化的趋势下,传统防护ESD可用PCB走线或电子元件改善的应用方针,目前已经相对不适用,反而是采取集成型的TVS元件来因应ESD防护需求,渐成为常见的设计形式。

   随著产品安全意识抬头,同时电子商品也朝轻、薄、短、小方向开发,对于消费电子产品接口保护的重视度持续提升,保护元件已成电子装置的设计关键重点。保 护装置除需因应缩小化需求,在面对装置接口高频运行,更易受到环境噪讯影响的状况下,如何选择适用的保护元件解决方案,便有更多变量需要考量。

   传统电子产品设计,为提升电路系统因应静电放电(Electrostatic Discharge;ESD)状况时的系统强固保护效果,产品开发人员必须采行多种方案来增强系统能符合ESD要求的标准,尤其是装置最易遭受ESD问题 的输出/入接口(I/O)的关键电路节点,通常会使用瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor;TVS)元件,来增强线路对于ESD问题的抵御能力。

  特别是手持式装置,例如智能型手机、游戏机、PMP或热门的平板计算机,这类相对高阶的计算机系统,有搭载精密的高效微处理器、存储器、集成网络芯片等元件,其电气系统在抵御ESD的部分原本就呈现相对弱势,必须透过设计手段加以改善,使产品不受ESD破坏或影响。

   不同TVS元件类型适用场合不同。基本上,防护ESD现象可用电路或元件集成来进行改善,但目前在电子电路缩小化的趋势下,传统防护ESD可用PCB走 线或电子元件改善的应用方针,目前已经相对不适用,反而是采取集成型的TVS元件来因应ESD防护需求,渐成为常见的设计形式,而TVS元件也分成两大类 型。

  TVS可以不同电源范围选择单向、双向的防护设计效果,单向和双向TVS元件,均可提供保护正向和负向的应力,而TVS基本上是在 ESD产生的瞬间产生维持线路高阻抗、低泄漏状态的一个电压范围。对于ESD的防护关键,在于判定多大以上的瞬态电器现象属于ESD,此种电压范围将决定 TVS元件可使用于哪里一类的电路节点保护应用。

  例如:双向TVS是具有相对于0V的对称特性,适合保护对称或双向的电子电路节点。至 于单向TVS产品为具有相对0伏特的不对称特性,较适合保护电压极性相同的电路节点。至于消弧(Crowbar)元件拥有负阻抗区域,在低电压时具高阻 抗,当电压较高时可触发电路导通机制,使电路的电流增大同时电压降低,而消弧TVS亦可提供保护。

  在实际元件方面,ESD TVS元件使用的技术主要有压敏电阻、聚合物与二极管(矽)等3类。压敏电阻属于双向的保护元件,基本上是具备极宽电流与电压范围能力,通常用于高压输电 线路和落雷的保护用途,但也有用于小型表面黏贴元件(Surface Mount Technology;SMD)技术ESD保护电路应用。

  但压敏电阻在其导电率方面也会存在较高的线路电容,让压敏电阻在高频讯号线路方面应用受到局限。甚至压敏电阻在遭受多次ESD问题后,会使元件多次受ESD应力,其元件防护性能也会下降。

  高速讯号接口的ESD防护需求

   而近来的趋势是,当USB 3.0、HDMI 1.4或DisplayPort等高速接口推陈出新,让接口的传输讯号频率大幅增加,但接口的ESD防护又不可缺乏的现实下,多数TVS方案会选用聚合物 式的浪涌抑制器元件以因应ESD接口防护需求,尤其在大量高速传输应用,此种解决方案亦相当常见。基本上,聚合物的浪涌抑制元件即为消弧元件。

   因为消弧元件为双向保护元件,在元件的线路电容表现相对极低,此特性对于大量、高频的高速传输应用方面,成为极具吸引力的ESD解决方案。但消弧元件也 不是没有缺点,因为消弧元件的问题在于导通的电压高,导通阻抗性能也相对较差,尤其是遭受多次ESD应力时也会让ESD防护性能趋于下滑。

   另一款常见的ESD防护元件,即为金属氧化物变阻器(Metal Oxide Varistor;MOV),但金属氧化物变阻器的特性是元件处于低电流、低电压时会具备高阻抗特性,但高电压、高电流时,金属氧化物变阻器的元件阻抗则 会呈现下降,金属氧化物变阻器属于电压的钳位元件。

  此外,以往矽制的TVS元件,由于电容表现较高,在保护低电压、高速传输的讯号线路 应用方面有相当多的不利因素,但实际上近年的ESD防护技术不断进步,让矽制的TVS元件也逐渐能满足高频、高速应用线路的ESD防护需求。多数二极管都 采用「矽」制造,此为一种双端元件,顺向为一个较低阻抗的传导电流,逆向则形成取决于一定量才能击穿电压的高阻抗元件特性,而矽制二极管元件特性为单向元 件。

  矽制二极管的TVS元件,拥有多数ESD保护元件可选择单向或双向保护特性,实际上单组二极管为单向保护元件,若串联结合2组单向 的TVS元件即可建构1组双向保护元件。市面上已有多种以双向二极管为设计基础的TVS集成元件。以往矽TVS元件存在电容表现较高,因应低压、高速讯号 线路方面的保护效果影响较大,但目前的防护技术持续进步,已改善此类问题。

  面对不同设计条件TVS元件也必须找寻最佳方案。多数的设计 条件下,ESD应力表现要求,仍需视电路设计的ESD影响大小而定,对具不对称敏感度之电路节点的ESD防护,可能只有基于二极管技术的TVS元件才能提 供较佳的单向保护。至于高速传输应用场合,线路要求极低电容,这时会在设计应用时选取聚合物元件式TVS,也相对较其它TVS解决方案更具吸引力,不同元 件的保护能力取舍,必须针对不同设计条件与限制来进行评估。

  而压敏电阻的元件成本相对较低,同时元件本身亦不要求需支持高压导通,在低 成本应用方面较具吸引力。但实际上,压敏电阻仍存在较高的元件电容,这会使其应用于高频、高速讯号线路方面的ESD防护时出现限制。同样的,以二极管为基 础的TVS产品,其钳位电压的控制能力较佳,加上超低电容表现的二极管式TVS产品也越来越多,在高频、高速应用方面也成为目前相当受欢迎的设计形式。

   面对电子产品小型化、薄型化设计趋势,ESD防护元件也必须跟上轻、薄、短、小的设计要求,例如,在不影响防护性能的条件下,目前TVS元件有采厚度仅 0.55mm、uQFN封装形式,亦有针对易于进行SMD作业或是安装/维修优势的0201、0402尺寸元件设计,新型ESD防护元件亦有采取无引脚 SOT(1.0mm x 2.5mm x 0.5mm)封装、或带接脚的TSSOP封装(3.0mm x3.0mm x1.1mm),有助于装配和制造端的实际应用,同时加快产品上市时间。

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