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tvs瞬态抑制二极管的原理与应用

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来源:发布日期 2020-07-22 14:17:37浏览:-
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ESDElectrostaticDischarge)又称静电放电,指的是在两个物体间,因为电场达到一定的强度,使得介质的绝缘能力崩溃,而发生电荷流动、中和的现象。  

小至电路放电,大至闪电,都是ESD静电放电现象

在干燥的地区,我们触摸门把时常常会被静电电到,就是一种常见的静电放电现象。至于为什么静电放电比较常发生在冬天呢?其实ESD的发生跟温度没有关系,但是温度会决定空气的绝对湿度,温度越低的空气可容纳的水汽量会越少,相对来说就会越干燥,而越干燥的空气越不容易让静电透过空气散逸,而是比较容易在人体上累积,因此就会发生静电放电。  

我们生长的台湾地区,地处热带至亚热带,冬季的温度相对没有那么低,空气也比较潮湿,因此静电放电发生的频率和程度不会像高纬度、干燥的地区那么严重,但我相信大部分的读者一定都还是有冬天被门把电到,或是触碰别人而「来电」的经验。  

要让干燥空气的绝缘崩溃而发生静电放电,电场强度大概要到达40KV/cm以上,这个数字的物理意义是:如果两个物体在干燥空气中距离1公分,而它们俩之间的电压差距达到4万伏特以上,就会透过空气发生静电放电,而如果两者之间的距离只有1mm,则只需要4千伏特左右的电压,就足以发生静电放电。  

在干冷天气时,很多人想必有触碰金属门把而被电到的经验,这就是ESD静电放电现象

一般我们去摸门把时被电到的静电放电,多半落在数千伏特这个等级(可能因为行走在地毯上或是与干燥空气摩擦,让我们身上累积了电位较高的静电电荷,而这些电荷造成我们的身体和门把有电位差)。假设这个电位差是4000V,当我们要开门,手逐渐接近门把时,就在我们的手快要接触到门把的那一瞬间,手和门把之间的距离小于1mm(也就是一个快要碰到但是又还没碰到的距离),这个距离使得电场强度大于会透过空气发生放电的电场,导致我们手上的电荷空气离子化,形成一道微小的电弧,让电荷透过空气传递到门把上。这一切都发生在极短的时间内,就在你的手还没碰到门把的那一瞬间,而当你的手碰到门把时,其实你已经被电完了。  

我们会因为静电放电而觉得痛,主要是因为在这个过程中会有个等效的电流流过我们的指尖(或是任何放电的部位)。这个电流不小,但是时间极短,大概在一两百个ns左右,因此总能量其实不大,虽然对末梢神经系统的刺激蛮大的,但几乎不可能造成电击时的灼伤或是其它伤害。  

不过静电放电对电子零件来说就不是这么轻描淡写了。当静电放电发生在电子电路上时,尤其是现今制程越来越精细的半导体零件上时,很容易对电子零件造成不可逆的破坏,因此在电子产品的设计上,随着半导体制程越来越细致,静电放电防护的重要性也越来越高。  

今天要介绍的零件:TVS二极管,就是静电防护设计中的核心零件。  

TVS二极管  

TVS全名是TransientVoltageSupressor,也就是暂态电压抑制器。所谓「暂态」,代表它能在很短的时间内快速反映,但也只能支撑很短的时间。  

Untitled-10

上图是一个典型的二极管电压–电流曲线,我们上次在说明稽纳二极管时已经看过,稽纳二极管有一个稳定的崩溃电压,而我们通常就让它工作在逆向偏压区,来利用这个稳定的崩溃电压。TVS二极管是稽纳二极管的近亲,我们通常也让它工作在逆向偏压区,只是在一般工作状态时,加在它上面的电压不会到达它的崩溃电压,因此TVS二极管在一般工作状态时不会导通。  

当电路中发生静电放电时,静电会透过空气或其它路径进入电路,在电路上形成一个很高的电压,以前面的例子来说,至少在数千伏特以上。虽然它发生的时间很短,但就是真真实实的数千伏特电压,大部分精密制程的半导体零件都耐不住这样的高压(即使只有短短的一两百ns),这时候就是TVS二极管上场救援的时候了。  

TVS二极管通常都设计在电路上的这个位置:  

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当数千伏特的静电放电从connector进来时,它一定会超过TVS二极管的崩溃电压,因此TVS二极管就会导通,而且可以在极短的时间之内快速崩溃,导通到一个很畅通的程度。我们都知道电流会挑好走、轻松的路径走,因此一旦TVS二极管崩溃、导通后,静电电荷所造成的电流就会沿着TVS二极管流向地面,而不会进到后面的电路。  

我们来看一个实际的例子吧!DF2S6P2CTCToshiba的一颗TVS二极管,在它的datasheet中有这么一段规格:    

这几个规格是选用TVS二极管时最重要的参数。VRWM叫做workingpeakreversevoltage,就是这个TVSdiode在正常工作时最大可以容许的逆向偏压(所谓「正常工作」就是没有发生静电放电,电路在一般情况下运作时)。VBR则是所谓的崩溃电压,也就是这个TVSdiode在被施加逆向偏压时,开始崩溃的电压。  

这两个电压很重要,因为他们决定了这颗TVS二极管可以用来保护什么样的讯号线。以这颗DF2S6P2CTC来说,它的VRWM5.5V,因此它可以用在5V以及更低电压的讯号线上,只要讯号线上的电压不要超过VRWM,就没有问题,但如果讯号线上的电压会超过VRWM,比方说用在12V的讯号线上就不行,因为当讯号的电压高于VRWM达到VBR时,它就会开始崩溃导通,就像一个6.7V的稽纳二极管把线上的电压限制在6.7V,会让12V的讯号线无法正常工作。  

因此切记,TVS二极管的逆向崩溃电压一定要大于被保护的线路上的正常工作电压,如此一来它才能够区分正常与不正常,并在不正常情况发生时保护后面的电路。  

至于后面的clampvoltageVC,则是说明当TVS二极管上的逆向偏压到达什么程度时,可以有多大的电流流过TVS二极管。一般来说我们在做设计时不会直接去看这几个数字或曲线,而是去参考IEC或其它电子工业标准机构所订定的静电放电测试标准,比如说IEC61000-4-2之类的。  

由于这些标准化机构对于静电放电测试有一致化的标准和测试模型,零件都会按照这些标准化的测试模型去设计,我们只要确定零件符合我们所要测试的模型即可。  

下图是IEC61000-4-2静电放电测试时所用的电流对时间波形图:

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在实际做测试时,我们会用静电产生仪器产生这样的波形,并将它注入电路。可以看到这个模型在非常短的时间之内(1ns)就达到最大电流,因此这就考验着TVS二极管能否在同样短的时间内崩溃并达到够低的导通阻抗,来吸收这些能量。  

电容与频率  

除了崩溃电压外,选择TVS二极管另一个很重要的参数就是它的寄生电容,在上面的表格中它称为totalcapacitanceCt二极管的寄生电容主要来自接面电容,也就是二极管PN接面上因电荷分离而造成的一个电容器,你可以将它想像成一个与二极管并联在一起的电容器。  

如果我们要保护的讯号线是一个高速的讯号线,那TVS二极管上的寄生电容就不能太大。当TVS二极管接在讯号线和地之间时,就等于接了一个跟寄生电容一样大的电容器在讯号线和地之间,这个电容器会变成一个滤波电容,把讯号给吃掉。  

DF2S6P2CTC这颗TVS二极管来说,它的寄生电容是600pF,这个大小的电容器在1MHz时的容抗只有265?,到500MHz时更只剩下0.5?,因此它只能用在像UART这种低速的讯号线上,无法用在像USB2.0这种高速的界面上。你想想看,如果在USBD+GND间加一个600pF的电容,它会剩下什么讯号?  

由于现在的讯号线速度都越来越高,这些界面承受不了太大的接面电容对讯号的破坏,因此各TVS二极管的供应商都会针对这些高速的接面推出特定低电容量的TVS二极管,以免保护电路的同时把讯号给搞砸了。  

小结  

这次我们简单地聊了ESD静电放电模型以及TVS二极管如何保护电路。事实上在真正的产品开发的流程中,静电防护的设计、测试与验证是非常复杂与专业的工作,真的要好好聊可以写好几本书。这篇文章的目的是希望能让读者们对静电放电的现象和静电防护的原理有一点点基础的认识,并在日后需要更进阶的知识时,能知道往哪个方向去寻找。

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