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ESD保护中TVS和压敏电阻的性能比较

已有 374 次阅读2017-10-30 14:06

静电放电(ESD)会给电子设备带来破坏性的后果,但消费者对电子产品小型化和复杂功能的狂热追求正使这一问题变得更加严重。首先,外形尺寸的减小将使得集成电路(IC)更容易受到ESD损坏。其次,伴随功能复杂化不断增加的输入/输出连接器为ESD进入提供了路径。以手机为例,扬声器、键区、扩音器、充电器插口、音量键、语音键、智能键、电池接头、配件连接端口、SIM卡等都可能成为ESD的进入点。ESD会造成手机工作异常、死机,甚至损坏手机,因而当今的设计工程师必须考虑如何为设备提供最有效的ESD保护,同时满足系统尺寸和成本的要求。

将保护芯片放置在连接器或端口处是最为有效的方法,能够在ESD进入电路板之前有效抑制ESD事件的发生,这同时也是强制性ESD抑制标准IEC 61000-4-2的要求。有效的ESD保护已经不能完全集成到CMOS芯片当中了。这是由于半导体工艺向65nm以下转移,原来在1.5μm工艺的芯片面积上只占几十分之一(获得2kV ESD保护)的ESD保护的面积已经无法容纳于现在只有几个纳米的芯片之中。在65nm工艺下,ESD保护的面积甚至超出了整个芯片的面积,因此必须考虑其它的解决办法。

TVS与压敏电阻的性能比较

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具有更好的钳制性能、更低的泄漏和更长的使用寿命。

TVS芯片在多重应力下仍然可保持强大的性能,而压敏电阻和聚合物则会随着使用次

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,器件本身不会受到损害,基本上没有寿命限制。而压敏电阻、聚合物材料在使用过程中同样存在磨损问题。

从现场测试的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。

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