如何選擇ESD保護元件

本文將分析系統設計師可以采用的一些保護產品類型，并比較它們的特性。為了確保系統在遭受ESD事件時的魯棒性，必須按照IEC 61000-4-2等標準來測試這些產品。系統設計師采用多種方法來確保產品符合主流的ESD標準，包括解決外殼設計、電路板設計、元件選擇，甚至是軟件修復。其中一個重要的方法是在輸入和輸出(I/O)連接器等關鍵電路節點處使用保護元件。ESD保護元件通常稱作瞬態電壓抑制器(TVS)。

TVS的ESD保護原理

許多集成電路(IC)都有一些可能比較敏感的輸入，這使得它們在輸入電壓遠高于正常值的的情況下(例如在ESD應力作用下)易于受損。正常工作電壓與使器件開始受損的電壓之間的區域是安全過壓區。安全過壓區與器件受損區之間有少許交疊，因為如果較大的過壓僅持續極短時間，那么即使不是在安全過壓區，器件可能也可以承受。TVS的任務就是發生ESD事件時，將輸入電壓維持在安全過壓范圍之內，而在正常工作時不影響系統性能。TVS器件被放置于鄰近ESD事件可能進入系統的位置，旨在限制敏感節點處的電壓，并將電流引至不太敏感的節點，如地電平。為實現這個功能，TVS必須在正常工作電壓范圍內擁有高阻抗,在正常工作電壓范圍之外擁有低阻抗，這樣才能將電流直接從敏感節點引開，并限制瞬態電壓。

對TVS的基本要求與具體應用有關，但一般情況下有如下要求：(1)能夠在期望的ESD應力下正常工作；(2)在正常電壓范圍內具有高阻抗(低泄漏)；(3)在正常電壓范圍之外呈低阻抗；(4)導通電壓適合應用；(5)在遭受應力期間可快速地從高阻抗轉換至低阻抗(6)電容對目標應用而言不太高。在比較具體的TVS器件類型之前，需要理解兩種分類。

單向與雙向保護：單向和雙向TVS器件都能抑制正向和負向應力。依據TVS維持高阻抗、低泄漏狀態的電壓范圍，可以最好地理解這兩個術語的不同。這種電壓范圍決定了TVS器件能保護的電路節點類型。雙向TVS具有相對于零伏電壓的對稱特性(圖1)。雙向器件最適合保護電壓基于零伏對稱或雙向的電路節點。單向TVS產品具有相對零伏電壓不對稱的特性。單向TVS器件極適合保護電壓極性始終相同的電路節點，如0到5伏這樣的單極性電壓。

電壓箝位與消弧：電壓箝位器件的工作原理是從低電壓時的高阻抗轉換至高于導通電壓時的低阻抗，且沒有負阻抗區域(圖2)。這器件通過提供接地的低阻抗通道，對高于導通電壓的電壓進行箝位。消弧(crowbar)器件在低電壓時也呈高阻抗，但當電壓較高時觸發新的導通機制，使電流增大，并伴隨著電壓下降。因此，消弧器件擁有負阻抗區域。某些消弧器件的觸發電壓可能非常高。如果消弧TVS觸發器的速度足夠快，就可以經常提供保護，即便電壓已經達到可能導致器件損壞的電平。消弧器件有時也稱作“驟回”器件，因為電壓驟然下降。

ESD TVS器件采用的技術主要有三種：壓敏電阻、聚合物和硅二極管，每種技術各有其獨特特性。