ESD器件的主要性能參數
1、最大工作電壓(Max Working Voltage)
允許長期連續施加在ESD保護器件兩端的電壓(有效值),在此工作狀態下ESD器件不導通,保持高阻狀態,反向漏電流很小。
2、擊穿電壓(Breakdown Voltage)
ESD器件開始動作(導通)的電壓。一般地,TVS管動作電壓比壓敏電阻低。
3、鉗位電壓(Clamping Voltage)
ESD器件流過峰值電流時,其兩端呈現的電壓,超過此電壓,可能造成ESD永久性損傷。
4、漏電流(Leakage Current)
在指定的直流電壓(一般指不超過最大工作電壓)的作用下,流過ESD器件的電流。一般地,TVS管的反向漏電流是nA級,壓敏電阻漏電流是μA級,此電流越小,對保護電路影響越小。
5、電容(Capacitance)
在給定電壓、頻率條件下測得的值,此值越小,對保護電路的信號傳輸影響越小。比如硅半導體TVS管的結電容(pF級),壓敏電阻的寄生電容(nF級)
6、響應時間(Response Time)
指ESD器件對輸入的大電壓鉗制到預定電壓的時間。一般地,TVS管的響應時間是ns級,壓敏電阻是μs級,此時間越小,更能有效的保護電路中元器件。
7、壽命(ESD Pulse Withstanding)
TVS技術利用的是半導體的鉗位原理,在經受瞬時高壓時,會立即將能量釋放出去,基本上沒有壽命限制;而壓敏電阻采用的是物理吸收原理,因此每經過一次ESD事件,材料就會受到一定的物理損傷,形成無法恢復的漏電通道,會隨著使用次數的增多性能下降,存在壽命限制。
TVS管(硅半導體)
瞬態抑制二極管(Transient Voltage Suppressor)簡稱TVS,是一種二極管形式的高效能保護器件,利用P-N結的反向擊穿工作原理,將靜電的高壓脈沖導入地,從而保護了電器內部對靜電敏感的元件。
以TVS二極管為例:當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后,TVS二極管便發生雪崩,提供給瞬時電流一個超低電阻通路,其結果是瞬時電流通過二極管被引開,避開被保護器件,并且在電壓恢復正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。
當瞬時脈沖結束以后,TVS二極管自動回復高阻狀態,整個回路進入正常電壓。TVS管的失效模式主要是短路,但當通過的過電流太大時,也可能造成TVS管被炸裂而開路。
TVS管有單向和雙向兩種,單向TVS管的特性與穩壓二極管相似,雙向TVS管的特性相當于兩個穩壓二極管反向串聯,其I-V曲線特性圖見圖1,圖中性能參數注解:
①反向斷態電壓(截止電壓) VRWM與反向漏電流IR:反向斷態電壓(截止電壓)VRWM表示TVS管不導通的最高電壓,在這個電壓下只有很小的反向漏電流IR。
②擊穿電壓VBR:TVS管通過規定的測試電流IT時的電壓,這是表示TVS管導通的標志電壓。
③脈沖峰值電流IPP:TVS管允許通過的10/1000μs波的最大峰值電流(8/20μs波的峰值電流約為其5倍左右,8/20μs是定義IPP脈沖波電流,請參考下圖2),超過這個電流值就可能造成永久性損壞。在同一個系列中,擊穿電壓越高的管子允許通過的峰值電流越小。
④最大箝位電壓VC:TVS管流過脈沖峰值電流IPP時兩端所呈現的電壓。
⑤正向導通電壓VF:TVS通過正向導通電流IF的壓降。
除上述性能參數外,TVS管還有一個關鍵參數:P-N結電容Cj。
壓敏電阻(MLV/MOV)
多層壓敏電阻(MLV)及金屬氧化物壓敏電阻(MOV)利用ZnO等壓敏陶瓷材料的壓敏特性,實現了對靜電的防護,壓敏電阻器的電阻體材料是半導體,當施加于壓敏電阻器兩端電壓小于其壓敏電壓,壓敏電阻器相當于10MΩ以上絕緣電阻;
當在壓敏電阻器兩端施加大于壓敏電壓的過電壓時,壓敏電阻器的電阻急劇下降呈現低阻態,從而把電荷快速導走,有效地保護了電路中的其它元器件不致過壓而損壞。壓敏電阻采用的是物理吸收原理,因此每經過一次ESD事件,材料就會受到一定的物理損傷,形成無法恢復的漏電通道,會隨著使用次數的增多性能下降,存在壽命限制問題。
壓敏電阻支持雙向保護,它的伏安特性是完全對稱的,見圖5,VW:正常工作電壓(Working Voltage)。IL:最大Vw工作條件下的漏電電流(Leakage Current)。壓敏電阻的失效模式主要是短路,但當通過的過電流太大時,也可能造成閥片被炸裂而開路。
TVS管和壓敏電阻應用
通過對TVS管和壓敏電阻的性能對比,根據各自的優點,適合應用場合列下:
1、與壓敏電阻比較,TVS管具有響應時間快、鉗位電壓偏差小、結電容小、反向漏電流小和無壽命限制等優點,因而較適合于信號質量要求高、線漏電要求小等接口的ESD防護,比如高速數據信號傳輸線、時鐘線等。
2、與TVS管比較,壓敏電阻的擊穿電壓VBR和箝位電壓VC都相對高,通流能力相對強,具有更強的浪涌脈沖吸收能力,因而較適合于電源接口的ESD或浪涌防護。
3、對于兩者都適合的場合,考慮價格因素,選用壓敏電阻。
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