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电子产品的静电放电保护(一)

电子产品的静电放电保护(一)

点击数:7981 次   录入时间:03-04 11:58:51   整理:http://www.55dianzi.com   电工文摘

作为ESD或浪涌抑制器件,由于工作电压所经过的连接面积较小,所以齐纳二极管一般只提供有限的额定功率。该器件的瞬间结功耗是上述工作电压与该器件保持该电压的分流电流的乘积。

雪崩型TVS二极管的工作特性与齐纳二极管相似,但构造和规格方面的差异使TVS二极管更适合于瞬态保护,尤其是对于低压节点。实际上,TVS二极管是面向此类应用的最常见保护器件。很多关于ESD减缓和浪涌抑制的文献把TVS二极管称作齐纳二极管,并且两者经常共用相同的原理图符号,这造成了不必要的困惑。因此对文章、应用说明和其它设计支持材料应做仔细阐释。

TVS二极管提供的主要优势是箝位电压低和开关时间少于一纳秒。这些元件的结面积一般大于标准齐纳二极管,这使它们能更好地吸收瞬态能量。然而,较大的结增加了器件的关断模式分流电容。由于结面积与额定功率以及电容之间的关系,人们将会发现,这些器件的额定功率和电容大体成正比。在搜寻合适器件用于高速信号端口设计时,要记住上述情况。

确定TVS二极的规格
六个关键参数可以描述TVS二极管:击穿电压(VBR)及其温度系数(dVBR/dT)、最大工作电压(VWM)、最大箝位电压(VCM)、最大峰值脉冲电流(IPPM)、峰值脉冲功率(PPPM)。高速信号线路保护应用对结电容(CJ)也很敏感,制造商通常在零伏偏置电压规定其规格,这是该测量标准的最坏情形工作条件。

有数千种TVS二极管可供选择,和多参数器件的常见情况一样,人们必须准备同时应付多种器件规格。

其中一种方法是借助三项数据开始:节点的最大正常工作电压(VN)、连接至该节点的任何半导体的绝对最大引脚电压(VNM)、危险情况的最大故障电流(IIM)。设计中使用的TVS二极管必须满足三项关系:VWM>VN、VCM<VNM、IIM<IPPM。

如果按照IEC 61000-4-2等标准来设计保护方案,则应采用该标准的IIM。如果使用的标准未规定峰值电流,则可把测试电压除以源极阻抗,并把结果提高20或25%,以便为设计提供一些裕量。

如果尺寸、成本、电容约束条件允许选择IPP大于应用最低要求的TVS二极管,那么将能实现低于二极管数据表建议的箝位电压。这是因为器件制造商是在器件的峰值脉冲电流规定箝位电压的。如果应用的最大期望故障电流(直接给出或根据标准计算)低于器件的IPP,则箝位电压将是数据表数值的可计算的一部分。

假设二极管的电压是VBR(MAX)(最坏情形中的导电开端)和VCM(对应于最大电流IPPM的箝位电压)之间电流的线性函数,并且VBR(MAX)位置的电流相对于IPPM可忽略不计,则中等电流时箝位电压的保守估算值为


如果TVS二极管的数据表未规定VBR(MAX),则合理的近似值为


如果应用必须工作于低温状态,而VBR具有正温度系数,约为每摄氏度0.1%。在低温条件下,该数量压缩了VWM和VBR之间的裕量,因此在精简自己的候选零件之前,务必检查VBR在应用的最低温度时的值。

此外,需确定箝位器件必须容忍的峰值功耗PPP。如果设计遵循的标准未规定峰值闪击电流,则可以计算该值。在闪击源和箝位器件之间的杂散阻抗很低,并且闪击电压远高于箝位电压的最坏情形中,峰值闪击电流基本等于闪击源的开路电压VOC除以其源阻抗ZS。可以简单根据来计算峰值功耗:
 

如果闪击源和保护器件之间存在阻抗ZI,则箝位器件的功耗降至
 

然而,构成额外阻抗主要因素的元件必须能承受它自己在闪击期间的功耗PI:
 

如果抑制器的数据表规定了峰值功耗,则该规格适用于具体波形和脉冲宽度。TVS二极管制造商通常报出的规格中包括10/1,000微秒脉冲。这个瞬态具有所谓的双指数:波形在上升沿和下降沿都有指数型时域特性。在这种情况下,10/1,000规格是指10µs上升时间以及从峰值到半功率的1,000µs下降时间。

器件的额定功率依赖于波形和脉冲宽度,这是因为瞬态远远短于器件的热时间常量。实际上,这限制了元件在某事件期间能吸收的能量数量(焦耳),与之形成对比的是器件在事件期间所能消耗的能量数量,它是更典型的时间速率(瓦),该事件发生的时间间隔明显长于器件的热时间常量。

在此类条件下,离散脉冲短于10µs左右,分流抑制器遵循Wunsch-Bell模型:

其中k为与波形能量相关的常量——其功率曲线的时间积分,而tw为脉冲宽度。制造商的数据表经常以降额曲线的形式说明此项关系。


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