ESD与TVS管

TVS管是表示某种技术或某种特性的器件,ESD管讲的是应用场合来说的, ESD是属于TVS的。

ESD保护二极管的作用是当电压超过二极管的导通电压的时候，就导通接地放掉，正常信号一般达不到导通电压，不会达到该电压，所以不会通过地损耗，而ESD电压一般超过导通电压，会使二极管导通，ESD电压通过接地放掉，不打坏仪器内部。所以这个5V应该是这个二极管对持续电压的耐压值。（ESD电压都是瞬间电压，高电压而没有大电流，不会损坏二极管）

TVS(Transient Voltage Suppresser瞬态电压抑制器)二极管等ESD保护器是近几年发展起来的一种固态二极管,专门用于ESD保护.TVS二极管是和被保护电路并联的,当瞬态电压超过电路的正常工作电压时,二极管发生雪崩,为瞬态电流提供通路,使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁.由于TVS二极管的结面积较大,使得它具有泄放瞬态大电流的优点,具有理想的保护作用. 改进后的TVS二极管还具有适应低压电路(<5 V)的特点,且封装集成度高,适用于在印制电路板面积紧张的情况下使用.很低的箝位电压,经过多次ESD过程后不会劣化.这些特点决定了它有广泛的适用范围.

TVS瞬态电压抑制

这里不论TV是如何产生的,比如直接或者间接的雷击,静电放电,大容量的负载投切等因素导致的浪涌.电压从几伏到几十千伏甚至更高.

ESD静电放电保护

这里的ES主要是三种模型所表述.

其中主要应用是HBM 和 MM,简单说,就是人或者设备对器件放电(静电),但是器件不能损坏.

典型的HBM CLASS 1C模型规定一个充电1000V-2000V的100pF的电容通过一个1500欧姆的电阻对器件放电.

MM模型要比人体模型能量大一些.电容是200pF,电压大概在200-400之间,不过没有串联电阻了.

典型的人体模型放电,峰值电流小于0.75A,时间150ns

典型的机器模型放电,峰值电流小于8A,时间5ns

典型的雷击浪涌(电力线入线处使用的TVS)峰值电流3000A,时间20us

ESD基本上可以分为三种类型：一是各种机器引起的ESD，二是家俱移动或设备移动引起的ESD，三是人体接触或设备移动引起的ESD。这三种种ESD对于半导体器件的生产和电子产品的生产都非常重要。电子产品在使用过程最容易受到第三种ESD的损坏，便携式电子产品尤其容易受到人体接触产生的ESD的损坏。在一般情况下ESD会损坏与之相连的接口器件，另一种情况是遭受ESD冲击后的器件可能不会立即损坏，而是性能下降导致产品过早出现故障。

当集成电路（IC）经受ESD时，放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流。例如将带静电的电缆插到电路接口上时，放电回路的电阻几乎为零，造成高达数十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的IC管脚。瞬间大电流会严重损伤 IC，局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。ESD对IC的损伤还包括内部金属连接被烧断，钝化层受到破坏，晶体管单元被烧坏。ESD还会引起IC的死锁（LATCHUP）。这种效应和CMOS器件内部的类似可控硅的结构单元被激活有关。高电压可激活这些结构，形成大电流信道，一般是从VCC到地。串行接口器件的死锁电流可高达1A。死锁电流会一直保持，直到器件被断电。不过到那时，IC通常早已因过热而烧毁了。ESD冲击后可能存在两个不易被发现的问题，一般用户和IEC测试机构使用传统的“环路反馈方法”和“插入方法”进行测试，通常检测不出这两个问题。

一个问题是RS-232接口电路中接收器对发送器产生交叉串扰。同类产品RS -232接口电路中的ESD保护结构可能对某种波形的ESD或某个ESD冲击电压失效，经过ESD冲击后在接收器输入端和发送器输出端之间形成通路，从而导致接收器对发送器产生交调（图1）。如果RS-232接口电路中有关断电路，那么关断期间经过ESD冲击后更容易产生交调。产生交调后将导致通信失败，而且即使关断工作状态下发送器仍有输出，导致关断失效，使对方RS-232处在接收状态。

另一个问题是RS-232接口电路对电源产生反向驱动。某些RS-232接口电路中的ESD保护结构经过ESD冲击后可能在输入端与供电电源VCC之间形成电流通路（图2），对供电电源产生反向驱动。如果供电电源没有吸入电流的能力（通常来讲电源输出回路里有一个正向二极管），这将导致电源电压VCC上升，从而损坏RS-232接口电路和系统内的其它电路。因为RS-232接口电路输入端的电压在5V到25V之间，使VCC有可能高于9V，超出电源电压的最大范围而烧坏电路。ESD保护电路最有效的保护措施是介质隔离：用绝缘介质把内部电路和外界隔离开。1mm厚的普通塑料如PVC，聚酯或ABS能够保护8KV的ESD。但是实际的介质不可能没有间隙和接缝，所以材料的蠕变和间隙距离非常重要。LCD显示屏，触摸屏等都有很厚的边角（12mm）隔离内部电路。

ESD保护的第二个方法是屏蔽，防止大的ESD电流冲击内部电路。ESD冲击金属屏蔽外壳时，最初几毫秒会比保护地电压高出许多，屏蔽外壳电压会随着ESD电荷的转移而下降，所以最初的几毫秒内会对内部电路产生二次ESD冲击，所以仅仅使用外部屏蔽还不够，内部电路与屏蔽外壳必须共地，或者把内部电路进行介质隔离。电气隔离也是抑制ESD冲击的一

种有效方法，PCB板上安装光耦合器或者变压器，虽然不能完全消除ESD的冲击，但是结合介质隔离和屏蔽可以很好的抑制EDS冲击，光耦合器和变压器尤其适合电源部分。信号通路最好的隔离是光纤，无线和红外线方式。