ESD器件防護原理、性能參數(shù)分享-KIA MOS管

ESD器件的主要性能參數(shù)

1、最大工作電壓(Max Working Voltage)

允許長期連續(xù)施加在ESD保護器件兩端的電壓(有效值)，在此工作狀態(tài)下ESD器件不導(dǎo)通，保持高阻狀態(tài)，反向漏電流很小。

2、擊穿電壓(Breakdown Voltage)

ESD器件開始動作(導(dǎo)通)的電壓。一般地，TVS管動作電壓比壓敏電阻低。

3、鉗位電壓(Clamping Voltage)

ESD器件流過峰值電流時，其兩端呈現(xiàn)的電壓，超過此電壓，可能造成ESD永久性損傷。

4、漏電流(Leakage Current)

在指定的直流電壓(一般指不超過最大工作電壓)的作用下，流過ESD器件的電流。一般地，TVS管的反向漏電流是nA級，壓敏電阻漏電流是μA級，此電流越小，對保護電路影響越小。

5、電容(Capacitance)

在給定電壓、頻率條件下測得的值，此值越小，對保護電路的信號傳輸影響越小。比如硅半導(dǎo)體TVS管的結(jié)電容(pF級)，壓敏電阻的寄生電容(nF級)

6、響應(yīng)時間(Response Time)

指ESD器件對輸入的大電壓鉗制到預(yù)定電壓的時間。一般地，TVS管的響應(yīng)時間是ns級，壓敏電阻是μs級，此時間越小，更能有效的保護電路中元器件。

7、壽命(ESD Pulse Withstanding)

TVS技術(shù)利用的是半導(dǎo)體的鉗位原理，在經(jīng)受瞬時高壓時，會立即將能量釋放出去，基本上沒有壽命限制；而壓敏電阻采用的是物理吸收原理，因此每經(jīng)過一次ESD事件，材料就會受到一定的物理損傷，形成無法恢復(fù)的漏電通道，會隨著使用次數(shù)的增多性能下降，存在壽命限制。

TVS管(硅半導(dǎo)體)

瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor）簡稱TVS，是一種二極管形式的高效能保護器件，利用P-N結(jié)的反向擊穿工作原理，將靜電的高壓脈沖導(dǎo)入地，從而保護了電器內(nèi)部對靜電敏感的元件。

以TVS二極管為例：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管的失效模式主要是短路，但當(dāng)通過的過電流太大時，也可能造成TVS管被炸裂而開路。

TVS管有單向和雙向兩種，單向TVS管的特性與穩(wěn)壓二極管相似，雙向TVS管的特性相當(dāng)于兩個穩(wěn)壓二極管反向串聯(lián)，其I-V曲線特性圖見圖1，圖中性能參數(shù)注解：

①反向斷態(tài)電壓(截止電壓) VRWM與反向漏電流IR：反向斷態(tài)電壓(截止電壓)VRWM表示TVS管不導(dǎo)通的最高電壓，在這個電壓下只有很小的反向漏電流IR。

②擊穿電壓VBR：TVS管通過規(guī)定的測試電流IT時的電壓，這是表示TVS管導(dǎo)通的標(biāo)志電壓。

③脈沖峰值電流IPP：TVS管允許通過的10/1000μs波的最大峰值電流（8/20μs波的峰值電流約為其5倍左右，8/20μs是定義IPP脈沖波電流，請參考下圖2），超過這個電流值就可能造成永久性損壞。在同一個系列中，擊穿電壓越高的管子允許通過的峰值電流越小。

④最大箝位電壓VC：TVS管流過脈沖峰值電流IPP時兩端所呈現(xiàn)的電壓。

⑤正向?qū)妷篤F：TVS通過正向?qū)娏鱅F的壓降。

除上述性能參數(shù)外，TVS管還有一個關(guān)鍵參數(shù)：P-N結(jié)電容Cj。

壓敏電阻(MLV/MOV)

多層壓敏電阻(MLV)及金屬氧化物壓敏電阻(MOV)利用ZnO等壓敏陶瓷材料的壓敏特性，實現(xiàn)了對靜電的防護，壓敏電阻器的電阻體材料是半導(dǎo)體，當(dāng)施加于壓敏電阻器兩端電壓小于其壓敏電壓，壓敏電阻器相當(dāng)于10MΩ以上絕緣電阻；

當(dāng)在壓敏電阻器兩端施加大于壓敏電壓的過電壓時，壓敏電阻器的電阻急劇下降呈現(xiàn)低阻態(tài)，從而把電荷快速導(dǎo)走，有效地保護了電路中的其它元器件不致過壓而損壞。壓敏電阻采用的是物理吸收原理，因此每經(jīng)過一次ESD事件，材料就會受到一定的物理損傷，形成無法恢復(fù)的漏電通道，會隨著使用次數(shù)的增多性能下降，存在壽命限制問題。

壓敏電阻支持雙向保護，它的伏安特性是完全對稱的，見圖5，VW：正常工作電壓(Working Voltage)。IL：最大Vw工作條件下的漏電電流(Leakage Current)。壓敏電阻的失效模式主要是短路，但當(dāng)通過的過電流太大時，也可能造成閥片被炸裂而開路。

TVS管和壓敏電阻應(yīng)用

通過對TVS管和壓敏電阻的性能對比，根據(jù)各自的優(yōu)點，適合應(yīng)用場合列下：

1、與壓敏電阻比較，TVS管具有響應(yīng)時間快、鉗位電壓偏差小、結(jié)電容小、反向漏電流小和無壽命限制等優(yōu)點，因而較適合于信號質(zhì)量要求高、線漏電要求小等接口的ESD防護，比如高速數(shù)據(jù)信號傳輸線、時鐘線等。

2、與TVS管比較，壓敏電阻的擊穿電壓VBR和箝位電壓VC都相對高，通流能力相對強，具有更強的浪涌脈沖吸收能力，因而較適合于電源接口的ESD或浪涌防護。

3、對于兩者都適合的場合，考慮價格因素，選用壓敏電阻。

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