最近,電路設計工程師已經正在通過一定數量的瞬間電壓抑制器(TVS)器件增加保護。一些例子包括固狀器件(二極管)、金屬氧化物變阻器(MOV)、可控硅整流器、其他可變電壓的材料(新聚合物器件)、氣體電子管和簡單的火花隙。
這類器件被放置在輸入端和地之間。當輸入電壓達到引起它們“開路”或導通的水平時,它們能迅速把阻抗降低。理想地,輸入威脅被部分地反射回去,而平衡被部分地通過導通的TVS器件分流到地上。所以,在電路中只有更小比例的威脅能夠達到敏感的IC。
但是ESD抑制器件也有著其自身的優缺點,隨著新一代高速電路的出現,一些缺點被放大了。例如,TVS必須迅速響應到來的浪涌電壓。浪涌電壓在0.7ns達到8KV(或更高)峰值時,TVS器件的觸發或調整電壓(與輸入線平行)必須要足夠低以便作為一個有效的電壓分配器。
一些器件可保護電路,但在僅幾次電流脈沖和/或陷入進入低阻(短路)狀態后就老化了,形成電路到地的大電電流通道。這點對由電池驅動的器件來說是致命的。
每個器件有其自身的差異。氣體放電管可通過大電流,但是響應速度很慢。它們也會老化且不能恢復。MOV能為高速電路提供相對緩慢的導通響應。硅二極管的觸發響應速度非??欤瑢妷旱停鼈兿馦OVS和其他器件一樣,電容比較高,從而影響高速信號。
頻率越高,電容效應就越大。全新的ESD變壓器件是當前僅有能夠提供極低電容和非常低關斷漏電流的產品。此外,在多次脈沖之后它們能自我恢復。
現在考慮成本因素。設計工程師盡可能地把非主要器件的成本降到最低。由于供大于求,二極管的價格一直以來都很低。一些新的高頻聚合物器件的價格也十分有競爭力。
過去幾個主要的設計因素簡化了ESD抑制器問題。工作電壓更高、速度更慢、更魯棒的IC對浪涌電壓不那么敏感。更低的工作頻率也意味著保護速度不那么重要。同時,阻抗更高線路和引腳元件的電路、金屬更多的封裝以及更少的外部節點,也使事情變得更加簡單。
但是電子行業已發生變化。消費電信行業在發生爆炸式發展,出現了更多的手持設備。器件的工作頻率已經從幾kHz上升到GHz,從而使用于ESD保護的高容量無源器件帶來設計失真問題。此外,芯片工作電壓正在降低,有助于極大提高對任和高能量瞬態(固定結點的加熱/融化)響應的靈敏度。同時,新型高頻數碼使用器件要求關斷漏電流非常低,從而降低噪聲。
在低成本的生產環境中,對于所有的電路元件來說降低成本是主要目標。因此,有效的ESD抑制器應為設計工程師提供下列主要的好處和特點(未必按重要性排列):
具有成本效益;
保護新型消費電子的音頻和視頻I/O線路以及RF連接端口,而無需犧牲性能;
在很廣的工作頻率范圍內具有穩定的器件特性;
在工作頻率為數GHz的超寬帶電路中采用1pF以下的電容;
在關狀態條件下漏電流最小,以減小噪音;
降低由ESD抑制器元件引起的工作電路信號失真和減衰;
為提供有效保護,觸發和箝位特性要與電路器件要求一致;
具有所需的裝配特性、外形因子和PCB封裝,便于用在高速自動裝配生產線上;
在各種可選擇的器件中,最好是在無需改變電路板的情況下具有高互換性;
在產品使用壽命期間可靠性高。
布局指南
不管選擇怎樣的TVS器件,它們在電路板上的布局非常重要。TVS布局前的導線長度應該減到最小,因為快速(0.7ns)ESD脈沖可能產生導致TVS保護能力下降的額外電壓。
另外,快速ESD脈沖可能在電路板上相鄰(平行)導線間產生感應電壓。如果上述情況發生,由于將不會得到保護,因為感應電壓路徑將成為另一條讓浪涌到達IC的路徑。因此,被保護的輸入線不應該被放置在其它單獨、未受保護的走線旁邊。推薦的ESD抑制器件PCB布局方案應該是:放置在被保護的IC之前,但盡量與連接器/觸點PCB側盡量近這; 放置在與信號線串聯任何電阻之前; 放置在包含保險絲在內的過濾或調節器件之前; 放置在IC之前的其他可能有ESD的地方。
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