中心論題：
- 手機中的ESD保護部分
- ESD在設(shè)計中的選擇
- TVS二極管的優(yōu)勢
- TVS工作原理和基本參數(shù)選擇
- TVS二極管在超高速數(shù)據(jù)線路保護中的應(yīng)用
- PCB設(shè)計時的考慮
解決方案：
- 信號的數(shù)據(jù)傳輸速率越高，ESD保護二極管的電容負載效應(yīng)就要求越低
- TVS布局前的導(dǎo)線長度應(yīng)該減到最小
靜電放電(ESD)是指兩個具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電感應(yīng)而引起的兩物體間靜電電荷的轉(zhuǎn)移。當(dāng)靜電能量達到一定程度后，擊穿其間介質(zhì)而進行放電的現(xiàn)象。因此，ESD保護無處不在，而ESD過壓保護則成為各種電子設(shè)備設(shè)計的基本要求。
最新的無線手持產(chǎn)品大多數(shù)都配備了高速數(shù)據(jù)接口、高分辨率LCD屏幕和相機模塊，甚至有些手機還具備接收電視節(jié)目的功能。雖然增加了很多新的功能，但手機尺寸仍在持續(xù)變薄變小。眾多功能匯聚在一個狹小空間內(nèi)，同時主要集成電路很多采用較先進工藝制造，導(dǎo)致手機設(shè)計中的ESD問題變得更加嚴重。它可能會造成手機工作異常、死機，甚至?xí)p傷手機。而這些問題必須在手機設(shè)計的最初階段解決。
手機中的ESD保護部分
這里以手機為例。手機中需要進行ESD防護的部位有：SIM卡接口電路；鍵盤電路；耳機和話筒電路；數(shù)據(jù)及USB端口；電源口；彩色LCD驅(qū)動端口及LCD背光電路。
ESD在設(shè)計中的選擇
ESD保護在設(shè)計中應(yīng)該兼顧性能和成本。要注意以下幾個原則：
a.保護電路響應(yīng)速度要快—IEC61000-4-2波形的上升沿只有1ns。
b.能應(yīng)付大的瞬態(tài)電流。
c.考慮瞬態(tài)電壓在正負極性兩個方向發(fā)生。
d.對信號增加的電容負載效應(yīng)和電阻損耗效應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)。
e.考慮體積因素以適應(yīng)輕巧的便攜式設(shè)備。
f.產(chǎn)品成本因素。
ESD保護在實現(xiàn)上基本有兩種方式：IC內(nèi)部的保護和IC外部的保護。前者雖然可以增加靠性，而且因不需要外部的保護而比較簡單；但同樣，也會增大硅片面積，同時，因為硅片中寄生電容和寄生電阻的存在，會引起信號之間的相互串?dāng)_。所以，現(xiàn)在外部的ESD保護方案應(yīng)用得越來越廣泛。外部ESD保護電路包括壓敏電阻、聚合物電阻、TVS雪崩二極管、肖特基二極管、磁珠/LC濾波器等。
其中TVS雪崩管以其卓越的鉗位功能、極低的擊穿電壓，極小的封裝，電氣特性在生命周期內(nèi)比較穩(wěn)定而得到越來越廣泛的應(yīng)用。它最顯著的特點一是反應(yīng)迅速，使瞬時脈沖在沒有對線路或器件造成損傷之前就被有效地遏制，二是截止電壓比較低，更適用于電池供電的低電壓回路環(huán)境。另外對TVS二極管設(shè)計的改進使其具有更低的漏電流和結(jié)電容，因而在處理高速率傳導(dǎo)回路的靜電沖擊時有更理想的性能表現(xiàn)。
當(dāng)一個浪涌電流的沖擊時，具有良好鉗位功能的TVS管在1ns時間內(nèi)就可以將瞬態(tài)電壓抑制到10.9V以下，從而使芯片的I/O口免受沖擊而損傷。而且它的電特性在ESD/浪涌沖擊之后沒有變化，所以壽命會比較長。
TVS二極管的優(yōu)勢
TVS與齊納二極管：與傳統(tǒng)的齊納二極管相比，TVS二極管P/N結(jié)面積更大，這一結(jié)構(gòu)上的改進使TVS具有更強的高壓承受能力，同時也降低了電壓截止率，因而對于保護手持設(shè)備低工作電壓回路的安全具有更好效果。
TVS與陶瓷電容：很多設(shè)計人員愿意采用表面貼裝的陶瓷電容作ESD保護，不但便宜而且設(shè)計簡便，但這類器件對高壓的承受力卻比較弱。5kV的沖擊會造成約10%陶瓷電容失效，到10kV時，損壞率達到60%，而TVS可以承受15kV電壓。在手持設(shè)備的使用過程中，由于與人體頻繁接觸，各個端口必須至少能夠承受8kV接觸沖擊(IEC61000-4-2標準)，可見使用TVS可以有效保證最終產(chǎn)品的合格率。
TVS與MLV：多層金屬氧化物結(jié)構(gòu)器件(MLV)也可以進行有效的瞬時高壓沖擊抑制，此類器件具有非線性電壓-電流(阻抗表現(xiàn))關(guān)系，截止電壓可達最初中止電壓的2～3倍，這種特性適合用于對電壓不太敏感的線路和器件的保護，如電源回路。而TVS二極管具有更好的電壓截止因子，同時還具有較低的電容，這一點對于手持設(shè)備的高頻端口非常重要，因為過高的電容會影響數(shù)據(jù)傳輸，造成失真或是降級。TVS二極管的各種表面封裝均適合流水線裝配的要求，而且芯片結(jié)構(gòu)便于集成其它的功能，如EMI和RFI過濾保護等，可有效降低器件成本，優(yōu)化整體設(shè)計。
另一個不能忽略的特點是二極管可以很方便地與其它器件集成在一個芯片上，現(xiàn)有很多將EMI過濾和RFI防護等功能與TVS集成在一起的器件，不但減少設(shè)計所采用的器件數(shù)目降低成本，而且也避免PCB板上布線時易誘發(fā)的伴生自感。
TVS工作原理
處理瞬時脈沖對器件損害的最好辦法是將瞬時電流從敏感器件引開。TVS二極管在線路板上與被保護線路并聯(lián)，當(dāng)瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS二極管便發(fā)生雪崩，提供給瞬時電流一個超低電阻通路，其結(jié)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(fù)正常值之前使被保護回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時脈沖結(jié)束以后，TVS二極管自動回復(fù)高阻狀態(tài)，整個回路進入正常電壓。
TVS基本參數(shù)選擇
在進行TVS二極管選擇時，最基本的應(yīng)該使它的工作電壓VRWN?最大的總線電壓；鉗位電壓Vc?最大的IC工作電壓。單路封裝的TVS二極管使用簡單靈活，PCB焊盤尺寸與0402、0603的分立器件兼容而受到廣泛應(yīng)用，缺點是封裝成本比較高。多路封裝的ESD陣列節(jié)省PCB面積，它的最大優(yōu)點就是：在外部尺寸極小的封裝內(nèi)提供兩個、四個、五個或六個TVS二極管。因此，比較適合在緊湊型手機上應(yīng)用。
英聯(lián)電子科技有限公司提供的四路TVS二極管UESD54B(SC-88A/SC-70封裝)和UESD55B(SC-89 封裝)、五路的UESD56B(SC-89封裝)以及六路的UESD57B(FBP1616P6 6L封裝)都非常適合此類應(yīng)用。
同時，ESD保護二極管被焊接在I/O連接器附近，用于防止61000-4-2標準規(guī)定的8KV接觸放電和15KV空氣放電時產(chǎn)生的任何損壞。這意味著當(dāng)通過一個330Ω電阻給一個150pF電容放電時，ESD保護二極管能夠抵抗15kV的電壓沖擊。
TVS二極管在超高速數(shù)據(jù)線路保護中的應(yīng)用
按照目標應(yīng)用的信號傳輸速度選擇TVS二極管是設(shè)計高效ESD保護功能的關(guān)鍵之一?；旧?，信號的數(shù)據(jù)傳輸速率越高，ESD保護二極管的電容負載效應(yīng)就要求越低，只有這樣能才能使保護組件在電流信號上產(chǎn)生的損耗降至最低。
實驗室的測量結(jié)果顯示，寄生結(jié)電容高于3.5pF的ESD保護二極管可能會在高速數(shù)據(jù)傳輸時產(chǎn)生很大的信號衰減。結(jié)果可能導(dǎo)致USB2.0收發(fā)器無法正常讀取數(shù)據(jù)。而對于USB1.1接口，寄生電容大約50pF的二極管并不會構(gòu)成任何數(shù)據(jù)完整性問題。這就是USB2.0的ESD保護組件的額定寄生電容在0V時通常要求低于3pF的主要原因。 例如，在USB2.0的情況中，因為數(shù)據(jù)傳輸速率達到480Mbps，所以需要ESD保護組件的電容極低
英聯(lián)電子科技有限公司新推出的UM5024，它的極間電容很小(Cj=0.9PF)，非常適合USB等高速信號線的應(yīng)用。
PCB設(shè)計時的考慮
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(dǎo)線長度應(yīng)該減到最小，因為快速(0.7ns)ESD放電電流在電感性布線上感應(yīng)出很高的電壓尖峰，影響ESD保護的性能。
另外，快速ESD脈沖可能在電路板上相鄰(平行)導(dǎo)線間產(chǎn)生感應(yīng)電壓。如果上述情況發(fā)生，由于將不會得到保護，因為感應(yīng)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(yīng)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(yīng)該是：應(yīng)盡可能的濾除所有的I/O口的干擾信號，靠近連接器/觸點PCB側(cè)。圖五是PCB布局的建議.
走線時，盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾；輸入輸出端用的導(dǎo)線應(yīng)盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發(fā)生反饋藕合。圖六是布線時的優(yōu)化建議。
