TVS和ESD那些事儿

Posted 2021-10-10 madmanazo

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​一、过压脉冲及标准

过压脉冲如ESD和浪涌会对半导体器件产生不利影响，如导致绝缘击穿、功能停止或元件劣化。

现在对于过压脉冲称呼可能比较笼统了，实际上可以按照电压脉冲产生原因进行分类，不同冲击其脉冲宽度和电压是不同的。

ESD：ESD是当具有累积正负电荷的物体（电介质）接触或接近时发生的放电现象，通常为高达几KV的纳秒级短脉冲。

通过将ESD转化成三种设备级测试模型来定量表征其特性，即HBM，MM和CDM。

HBM(Human Body Model)，人体模型；模拟带电人体接触设备时可能发生的放电。

一般分级如下：

测试波形要求：

MM(Machine Model)，机器模型；模拟可能从带电机器（如制造系统）释放的静电。

一般分级如下：

测试波形要求：

CDM(Charged Device Model)，充电设备模型；模拟带电隔离设备在组装过程中接触到电路板时可能发生的放电。

一般分级如下：

测试波形要求：

雷电浪涌：雷击浪涌可分为直接雷击浪涌和感应雷击浪涌。直接类是指雷电直接击中时产生的浪涌，感应类是闪电产生的电磁脉冲感应的浪涌。

雷电浪涌能量高往往较难防护，而感应雷电浪涌能量低可采取对策解决，一般是us级到ms级的长脉冲

开关浪涌：开关浪涌是当开关、继电器、电机或其他设备打开或关闭时由电路或布线的突然电流变化和电感或电容引起的瞬态过电压，一般是ns级到ms级的长脉冲。

此外，关于过压和浪涌也有制定系统级测试规范，一般参考IEC61000-4-2或AECQ标准-Q200-002标准。

IEC61000-4-2模拟的HBM的ESD系统级测试使用接触放电和空气放电两种：

• contact：测试当人直接接触系统或设备的裸漏金属表面时可能发生的放电；

• air：当系统或设备表面涂有树脂或其他涂层材料时，通过空气层测试DUT和放电枪之间可能发生的放电。
  
  接触放电波形特点：
  
  
  一般我司产品ESD要求过contact±8KV/air±15KV，物联网模组一般要求要过CE认证contact±4KV/air±8KV。

IEC61000-4-5规范浪涌抗扰度测试模拟附近雷击引起的电压和电流浪涌，包括瞬态开关现象：

总结关于ESD防护参考的标准：

• MIL-STD(美国军规标准)
• EIA/JEDEC(固态技术协会规范)
• AEC(汽车电子协会规范)
• IEC(国际电工委员会规范)
• JEITA(日本静电防护规范)
  
  
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二、为啥要+TVS管

电子设备已变得越来越通用、更快和更小。为了满足应用的需求，半导体制造商不断开发具有更小几何形状的新工艺和增加掺杂剂浓度，从而提高性能并显著减小器件尺寸。

有一条关于晶体管缩放的定律，其中规定将晶体管尺寸缩放到1/m，其面积减少到1/㎡，功耗减少到1/m，电路延迟减少到1/m。

但是当几何尺寸缩放到1/m时，厚度通常也按比例缩放，这意味着半导体制造的绝缘膜厚度也减少到1/m。

SiO2通常用于硅半导体器件的绝缘体，其介电强度8~10mV/cm；因此绝缘膜厚度减小到1/m时介电强度也减小到1/m。

由于工艺规模缩小和掺杂浓度越来越高，半导体器件对ESD损坏的免疫力越来越低，如果不采取对策电子设备很容易因ESD而退化和损坏。

工艺尺寸缩小只是器件更容易受到静电影响的因素之一，还有其他各种因素。比如人们使用电子产品的方式改变。

由于USB、LAN和其他电缆经常插拔以与IoT或其他设备进行数据通信或为电池充电，因此更容易受到ESD事件的影响。因此供电或接口等关键电路+ESD防护二极管显得至关重要。

三、TVS二极管

全称瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppressors），又称雪崩击穿二极管，是一种利用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成器件。

TVS二极管分为单向和双向，其电路符号如下：

单向一般反向并联于直流供电电路中，双向TVS二极管一般用于交流电路中，如插拔、雷击、长距离传输等场合。

电路正常工作时TVS二极管处于截止状态，当电路出现过电压并达到TVS二极管击穿电压时，TVS二极管由高阻态变为低阻态，分流由异常过电压导致的瞬时过电流到地。

同时把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS二极管阻值又恢复为高阻态：

我们先来剖析下TVS管的参数指标：

VESD：规格书里面都会描述能过的IEC 61000-4-2的contact和air标准，如±8KV/±15KV。

Ppk：Peak Pulse Power；峰值脉冲功率，在 ESD 保护二极管本身损坏之前可以分流的最大浪涌功率峰值脉冲功率。一般使用 8/20 μs 脉冲波形测量（8/20 μs 表示波形上升到 100% 需要 8 μs，从 100% 下降到 50% 需要 20 μs）。

IPP：Maximum Reverse Peak Pulse Current；峰值脉冲电流，在ESD保护二极管本身损坏之前可以分流的峰值脉冲电流，IPP越大TVS管性能越好。

VRWM ：Working Peak Reverse Voltage；反向工作峰值电压， TVS二极管的最高工作电压，可连续施加而不引起TVS二极管劣化或损坏状态下，达到的最大的直流电压或交流峰值电压。在VRWM下，TVS二极管是不工作的，不导通，仅流过规定的漏电流。

IR：Maximum reverse leakage current；最大反向漏电流，亦称待机电流。在规定温度和最高工作电压条件下，流过TVS二极管的最大电流，其值是在截止电压下测量的。

VC：Clampling voltage；钳位电压，施加规定波形的峰值脉冲电流IPP时，TVS二极管两端测得的峰值电压，此值越小越好。

VBR：Breakdown Voltage；击穿电压，是TVS管的最小雪崩电压。指在V-I特性曲线上，在规定的脉冲直流电流IT或接近发生雪崩的电流条件（通常1mA）下测得TVS两端的电压。

IT：Test Current；测试电流，一般定义为1mA，因器件而异。

IF：Forward Current；正向电流。

Tj：Junction Temperature；结温，ESD 保护二极管可以工作而不会降级或自损坏的最大结温。

Tstg：Storage Temperature；存储温度，ESD保护二极管在不施加电压的情况下可以储存和运输的环境温度范围

CT：Total Capacitance；等效电容，当在指定的反向电压和频率下施加小信号时，二极管端子上的等效电容。总电容是二极管的结电容与其封装的寄生电容之和。结电容随着反向电压的增加而减少。

RDYN：Dtnamic Resistance；动态电阻，动态电阻是当导致击穿的反向电压施加到 ESD 保护二极管时，VF-IF 曲线上两个指定高电流点处的电流斜率（电阻值）。

四、TVS二极管的应用

基于前文应充分考虑到产品会遇到的过压脉冲的类型来选用ESD二极管、齐纳二极管还是RC电路。

对于接近DC的ms级以上过压脉冲很难用ESD保护二极管进行保护，此时齐纳二极管能提供精准的稳压更为合适。

可以按照如下步骤去选用TVS管：
1).根据电路标准工作电压和高端容限确定VRWM，一般VRWM近似等于电路最大工作电压。

2).VBR一般要比VRWM高10%~15%，要注意当TVS管两端电压接近VBR时，漏电流加大，如果信号接近VBR其波形可能会因为漏电流而失真：

3).ESD管和浪涌管的静电防护等级要大于产品本身要求的防护等级，一般规格书里面都会写。

4).TVS管的钳位电压VC要小于后级被保护电路的损坏电压，一般VC比VBR高35~40%，或比VRWM高60%，VC越低越低对电路保护作用越好。

5).TVS管的额定瞬态功率要大于电路中可能出现的最大瞬态浪涌功率。峰值脉冲电流要大于瞬态浪涌电流。市面管子基本都按IEC61000-4-2标准设计，差不多，选定要过的等级就行。

6).选择较低的结电容CT的管子，当二极管在正常工作时不导通，其p-n结界面处存在的耗尽区在电气上会充当一个等效电容：

如果保护二极管应用到信号线上，要考虑信号的频率，特别是通信接口的保护要选取低CT的管子。

因为具有较大电容的二极管会引入更高的插入损耗，无法跟踪信号速度的变化：

选择ESD保护二极管时频率-CT要求可以参考下图：

7).考虑要保护的信号的极性，单向TVS管一般用于直流，双向TVS管一般用于交流：

注意如果发生ESD冲击，单向TVS管在正ESD冲击时进入反向击穿，在负ESD冲击时导通，所以单双向都可以用于吸收正负ESD脉冲，不必担心脉冲极性：

8).选择低动态电阻(RDYN)。从连接器端看进去，TVS管和DUP可以堪称是并联的，因此务必保证TVS管具有低阻抗以便将大部分ESD能量通过TVS管进行分流：

这要从器件级和板级两个方面去考虑，器件级即选用低RDYN，因为较低RDYN则大部分ESD电流会通过TVS管分流，从而减少流向DUP的电流：

板级要注意PCB的布局，如果布局不好即使具有高性能的TVS管也无法提供足够好的保护。

因为ESD脉冲遵循低阻抗路径，考虑到电路走线电感，从连接器发出的走线分叉成两条路径后需要注意通向TVS管和DUP的走线长度：

如果TVS管路径有较大电感，则ESD能量大多注入DUP，对于上图不同TVS放置的比较可以看出TVS管靠近连接器放置时，第一个峰值电压比靠近DUP放置的情况低近10V：

此外电磁感应或电容耦合效应会导致ESD脉冲从连接到外部世界的连接器传播到内部线路，从连接器到 ESD 保护二极管的电路板走线段容易受到 ESD 的影响。所以尽量不要平行布线且要做好地隔离保护：

参考文献：
[1].IEC61000-4-2、IEC61000-4-5等标准
[2].JESD22-XXXX标准
[3].TOSHIBA二极管应用笔记

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