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摘要：本文通過采用合適的過電流和過電壓保護(hù)元件，生產(chǎn)商可保證其產(chǎn)品成為用戶生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護(hù)元件也保證了各應(yīng)用產(chǎn)品符合安全和功能因素相關(guān)的規(guī)章條例的要求。 許多用戶都沒有意識(shí)到他們自己每天在使用的電子設(shè)備存在著最大的風(fēng)險(xiǎn)。電路保護(hù)是所有電子設(shè)備必有的特性——不論是車載、家用或是工用電子設(shè)備——因?yàn)橹灰梭w接觸含敏感電子半導(dǎo)體的器件，就會(huì)出現(xiàn)ESD(靜電放電)現(xiàn)象。 如果周圍的空氣特別干燥，比如天氣正好非常炎熱或非常寒冷，剛把手從汽車方向盤后移開時(shí)，若觸碰到金屬車門，就會(huì)有電擊感。這種電擊感，對(duì)司機(jī)來說不過是無傷大雅的不適感，但對(duì)敏感電子設(shè)備來說，其影響要大得多。想象一下，當(dāng)拿起手機(jī)或平板電腦，卻發(fā)現(xiàn)有些按鍵或數(shù)據(jù)端口失靈了�，F(xiàn)實(shí)生活中凡此種種令人頭痛的事情，可能就是由于電子器件而非車體金屬遭受類似的電擊而導(dǎo)致的直接后果。 雖然靜電放電(ESD)不會(huì)導(dǎo)致手機(jī)“爆炸”之類的災(zāi)難性事故，但是沒有靜電放電(ESD)保護(hù)，手機(jī)很可能難以對(duì)鍵盤或按鈕輸入做出有效反應(yīng)。同樣，靜電放電(ESD)損傷會(huì)導(dǎo)致USB或以太網(wǎng)之類的接口端口在與其他設(shè)備連接時(shí)難以發(fā)揮正常的功效。 1 靜電放電(ESD)背后的物理學(xué) ESD(靜電放電)事件均可追溯為稱作摩擦帶電的現(xiàn)象，兩種材料彼此接觸而后迅速分開即可產(chǎn)生摩擦帶電現(xiàn)象。由于兩種材料的電子發(fā)生轉(zhuǎn)移，一個(gè)積聚正電荷，另一個(gè)積聚負(fù)電荷。電荷的產(chǎn)生了取決于數(shù)種因素，包括接觸面積、分離速度、相對(duì)溫度和材料化學(xué)性質(zhì)。盡管這種過程每天發(fā)生數(shù)千次，但卻無人注意，除非放電量足夠大，致使人體感到輕微短暫的不適，例如橫過地毯或抓握門把手。生成的電荷電壓從數(shù)百伏到數(shù)萬伏不等。表1所示即為產(chǎn)生靜電荷電壓的實(shí)例。 鑒于半導(dǎo)體芯片的尺寸變得越來越微型化，靜電放電(ESD)影響已成為當(dāng)今尖端但成本敏感的電子消費(fèi)產(chǎn)品難以解決的問題。如今，能夠提供ESD保護(hù)的構(gòu)件太大，并且在成本上與構(gòu)成集成電路組件的硅集成電路(IC)關(guān)系較大。其結(jié)果是，集成電路(IC)供應(yīng)商移除或大大縮減內(nèi)置ESD保護(hù)電路部分。問題是，集成電路一旦組裝到電子消費(fèi)產(chǎn)品中，離開了生產(chǎn)時(shí)的受控環(huán)境，它們很可能會(huì)受到未受控制的ESD事件的影響。 此外，盡管集成電路(IC)生產(chǎn)商在歷史上曾使用特別是與生產(chǎn)環(huán)境有關(guān)的ESD測(cè)試模型(MIL-STD-883、方法3015：人體模型)，但設(shè)備生產(chǎn)商——對(duì)業(yè)內(nèi)ESD事件有所考慮——卻使用IEC(國際電工委員會(huì))規(guī)定的更為嚴(yán)苛的模型，即IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)。本文中，多數(shù)集成電路(IC)供應(yīng)商在500V下利用人體模型(HBM)對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，而終端用戶設(shè)備生產(chǎn)商根據(jù)IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)在8000V(或以上)下進(jìn)行測(cè)試。 表1比較了多數(shù)芯片組供應(yīng)商使用的HBM(人體模型)ESD電流，他們以此預(yù)防IEC 61000-4-2列舉的環(huán)境ESD事件，這些事件多數(shù)用戶會(huì)在不覺間引入電子消費(fèi)器件。 很明顯，最壞情況下的HBM ESD峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IEC 61000-4-2規(guī)定的最壞情況下ESD峰值電流(見表2加粗的數(shù)字)。 與HBM所述的8kV事件相比，IEC 61000-4-2規(guī)定的8kV事件暗指電流為其5.6倍。芯片組能夠通過HBM測(cè)試的——用于生產(chǎn)環(huán)境——不能保證適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)镋SD的影響更加嚴(yán)重。最后，如前文所述，大多數(shù)集成電路(IC)供應(yīng)商利用人體模型僅測(cè)試到500V。如果在實(shí)際應(yīng)用中暴露在8kV ESD瞬變電壓中，芯片組面臨的電流會(huì)增加近100倍，除非集成電路(IC)設(shè)計(jì)包含ESD保護(hù)，否則這種程度的電流足以決定芯片組的命運(yùn)。 近年來，應(yīng)用測(cè)試要求越來越嚴(yán)苛，以致于8kV ESD事件如今已成為最低水平。測(cè)試等級(jí)正在向20kV、甚至30kV發(fā)展，但同時(shí)，集成電路(IC)供應(yīng)商卻在芯片組設(shè)計(jì)中取消了電路保護(hù)，從而釋放硅元面積，以提供更多功能。以下數(shù)字表明了芯片組內(nèi)置ESD水平和在實(shí)際應(yīng)用中可能遭受的ESD影響水平之間的差距，強(qiáng)烈反映出不斷增長的需求對(duì)于追加ESD保護(hù)的需要。 2 保護(hù)很重要 如果想要電子消費(fèi)產(chǎn)品抵抗住ESD事件，繼續(xù)按原設(shè)計(jì)發(fā)揮功效，至關(guān)重要的是選擇正確的ESD保護(hù)器件——通稱稱作瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)陣列。動(dòng)態(tài)電阻是需要考慮的關(guān)鍵性ESD保護(hù)參數(shù)之一，甚至可能是選擇保護(hù)元件的最重要的參數(shù)。任意一種保護(hù)解決方案都具有與其箝制電壓特性相關(guān)的固有電阻值。理想情況下，固有電阻應(yīng)最低，以保證保護(hù)解決方案在發(fā)生浪涌時(shí)具備最低阻抗接地回路。 圖2原理圖描述了這個(gè)問題。在ESD事件中，箝制器件打開，從高阻抗標(biāo)稱狀態(tài)變?yōu)榈妥杩埂Ｈ绻?lián)電阻較高，保護(hù)元件生成高電壓(V=IR)，即集成電路(IC)受到的有效保護(hù)降低。如果串聯(lián)電阻較低，保護(hù)元件生成的電壓也會(huì)降低，反過來降低集成電路(IC)受ESD影響的程度。這種較低的動(dòng)態(tài)電阻(箝制模式下保護(hù)元件的電阻值)使得大部分浪涌電流繞開集成電路(IC)而接地，如圖2所示。力特TVS二極管陣列專為獲得最低動(dòng)態(tài)電阻值而設(shè)計(jì)，因而能夠?qū)⒈Ｗo(hù)元件的總體壓降減至最低，把流經(jīng)保護(hù)元件而非保護(hù)性集成電路的電流增至最大。 一般來說，較之于諸如聚合體或陶瓷之類的技術(shù)，由于本身具有較低的動(dòng)態(tài)電阻，半導(dǎo)體保護(hù)器件能夠提供最好的ESD保護(hù)。通常，半導(dǎo)體類元件的動(dòng)態(tài)電阻范圍為0.2?~3.0?，具體取決于供應(yīng)商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，而陶瓷解決方案(電容相同)所提供的動(dòng)態(tài)電阻的范圍平均為2?~5?。 圖3的曲線顯示了各元件通入8kV ESD瞬變時(shí)，硅元件及其相應(yīng)的壓敏電阻之間允通能量的差異，著重強(qiáng)調(diào)了前緣開啟電壓和最終箝制電壓之間的差異。曲線(箭頭)之間的面積從集成電路(IC)和芯片組必須要抵抗多少能量才能防止?jié)撛趽p傷或過早失效方面表現(xiàn)了兩種元件之間的差異。 3 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供保護(hù) 電子消費(fèi)產(chǎn)品的種類和持續(xù)發(fā)展似乎沒有盡頭：LCD電視、智能手機(jī)、平板電腦、電子書閱讀器、機(jī)頂盒、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音頻播放器及凡此種種。盡管品類繁多，此類設(shè)備通常配置相同的端口或連接。作為此類設(shè)備與外部世界的接口，此類連接需要ESD保護(hù)。幾乎所有的電子消費(fèi)產(chǎn)品都具有以下功能接口： ● AC輸入/輸出 ● DC輸入/輸出 ● 電池組 ● 鍵盤/按鈕 ● 視頻信號(hào)(HDMI、S-Video、復(fù)合視頻、LCD模件) ● 音頻輸出 ● 低速數(shù)據(jù)接口(USB1.1、IEEE 1394、RS 232C、RS 485) ● 高速數(shù)據(jù)接口(USB2.1、USB3.0、10BaseT、100BaseT、1000BaseT) ● CATV/RF輸入/輸出 以上某此功能必須符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，也就是說，需要過電流和過電壓保護(hù)。其他功能也需要免受諸如ESD之類的環(huán)境因素的影響，但也需要防止附近高電感性負(fù)載設(shè)備循環(huán)打開和關(guān)閉(如真空吸塵器)所導(dǎo)致的的雷擊電涌或EFT(脈沖群)。 產(chǎn)品直接與交流主電源(120V~250V交流電)連接，可能會(huì)受到嚴(yán)重的浪涌瞬變(雷擊、負(fù)載合閘等)和短路/過載情況的影響，因此有必要安裝系列元件以提供過電流(保險(xiǎn)絲或PTC)和過電壓(MOV、TVS或TVS二極管陣列)保護(hù)。特別要求提供此類保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)有： ● IE 61000-4-4(EFT用戶級(jí)環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應(yīng)浪涌) ● IEC/EN 60950-1(安全標(biāo)準(zhǔn)) 便攜式電子消費(fèi)產(chǎn)品含有AC或DC適配器的，可能會(huì)遭遇特定的ESD和低極雷電威脅，對(duì)于這些威脅，必須要有所考慮。有些標(biāo)準(zhǔn)可能對(duì)此類保護(hù)具有特別的要求，這些標(biāo)準(zhǔn)有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶級(jí)環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應(yīng)浪涌) 鍵盤或其他手動(dòng)接口按鈕可能會(huì)成為ESD之類的破壞能源的侵入點(diǎn)。音頻線路由于揚(yáng)聲器接線和手動(dòng)操作也會(huì)受到類似的ESD的影響。S-Video、復(fù)合視頻和HDMI的接頭也極易受到ESD的影響，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常接受手動(dòng)操作。電池組應(yīng)用應(yīng)耐受必須加以預(yù)防的類似的ESD影響以及潛在的過電流失控情況(IEC 61960和IEC 62133特別適用)。同樣，低速和高速數(shù)據(jù)線也會(huì)遭受ESD影響;根據(jù)實(shí)際布置，它們也可能會(huì)遭受雷電感應(yīng)浪涌的影響。非常適用此類應(yīng)用的國際標(biāo)準(zhǔn)有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶級(jí)環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應(yīng)浪涌) 消費(fèi)產(chǎn)品面臨著日益遞增的遭受類似ESD過電壓瞬變破壞的風(fēng)險(xiǎn)。隨著集成電路(IC)設(shè)計(jì)師在芯片組中集成更多的功能，內(nèi)置ESD耐受性卻在大幅度下滑——致使采用外部保護(hù)元件成為必要。設(shè)備生產(chǎn)商根據(jù)國際IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試;為保護(hù)產(chǎn)品的預(yù)期使用壽命，推薦使用TVS二極管陣列來提供保護(hù)。相比于競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)，TVS二極管陣列不僅能滿足集成電路(IC)對(duì)于小內(nèi)存的要求，也能提供較低的箝制電壓，即TVS二極管陣列能夠保護(hù)先進(jìn)的集成電路(IC)。EFT影響、臨近雷擊或潛在停電事故使提供合適的過電流和過電壓保護(hù)解決方案成為必要。 通過采用合適的過電流和過電壓保護(hù)元件，生產(chǎn)商可保證其產(chǎn)品成為用戶生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護(hù)元件也保證了各應(yīng)用產(chǎn)品符合安全和功能因素相關(guān)的規(guī)章條例的要求。 3 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供保護(hù) 電子消費(fèi)產(chǎn)品的種類和持續(xù)發(fā)展似乎沒有盡頭：LCD電視、智能手機(jī)、平板電腦、電子書閱讀器、機(jī)頂盒、游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、音頻播放器及凡此種種。盡管品類繁多，此類設(shè)備通常配置相同的端口或連接。作為此類設(shè)備與外部世界的接口，此類連接需要ESD保護(hù)。幾乎所有的電子消費(fèi)產(chǎn)品都具有以下功能接口： ● AC輸入/輸出 ● DC輸入/輸出 ● 電池組 ● 鍵盤/按鈕 ● 視頻信號(hào)(HDMI、S-Video、復(fù)合視頻、LCD模件) ● 音頻輸出 ● 低速數(shù)據(jù)接口(USB1.1、IEEE 1394、RS 232C、RS 485) ● 高速數(shù)據(jù)接口(USB2.1、USB3.0、10BaseT、100BaseT、1000BaseT) ● CATV/RF輸入/輸出 以上某此功能必須符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，也就是說，需要過電流和過電壓保護(hù)。其他功能也需要免受諸如ESD之類的環(huán)境因素的影響，但也需要防止附近高電感性負(fù)載設(shè)備循環(huán)打開和關(guān)閉(如真空吸塵器)所導(dǎo)致的的雷擊電涌或EFT(脈沖群)。 產(chǎn)品直接與交流主電源(120V~250V交流電)連接，可能會(huì)受到嚴(yán)重的浪涌瞬變(雷擊、負(fù)載合閘等)和短路/過載情況的影響，因此有必要安裝系列元件以提供過電流(保險(xiǎn)絲或PTC)和過電壓(MOV、TVS或TVS二極管陣列)保護(hù)。特別要求提供此類保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)有： ● IE 61000-4-4(EFT用戶級(jí)環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應(yīng)浪涌) ● IEC/EN 60950-1(安全標(biāo)準(zhǔn)) 便攜式電子消費(fèi)產(chǎn)品含有AC或DC適配器的，可能會(huì)遭遇特定的ESD和低極雷電威脅，對(duì)于這些威脅，必須要有所考慮。有些標(biāo)準(zhǔn)可能對(duì)此類保護(hù)具有特別的要求，這些標(biāo)準(zhǔn)有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶級(jí)環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應(yīng)浪涌) 鍵盤或其他手動(dòng)接口按鈕可能會(huì)成為ESD之類的破壞能源的侵入點(diǎn)。音頻線路由于揚(yáng)聲器接線和手動(dòng)操作也會(huì)受到類似的ESD的影響。S-Video、復(fù)合視頻和HDMI的接頭也極易受到ESD的影響，因?yàn)樗鼈兘?jīng)常接受手動(dòng)操作。電池組應(yīng)用應(yīng)耐受必須加以預(yù)防的類似的ESD影響以及潛在的過電流失控情況(IEC 61960和IEC 62133特別適用)。同樣，低速和高速數(shù)據(jù)線也會(huì)遭受ESD影響;根據(jù)實(shí)際布置，它們也可能會(huì)遭受雷電感應(yīng)浪涌的影響。非常適用此類應(yīng)用的國際標(biāo)準(zhǔn)有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶級(jí)環(huán)境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應(yīng)浪涌) 消費(fèi)產(chǎn)品面臨著日益遞增的遭受類似ESD過電壓瞬變破壞的風(fēng)險(xiǎn)。隨著集成電路(IC)設(shè)計(jì)師在芯片組中集成更多的功能，內(nèi)置ESD耐受性卻在大幅度下滑——致使采用外部保護(hù)元件成為必要。設(shè)備生產(chǎn)商根據(jù)國際IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試;為保護(hù)產(chǎn)品的預(yù)期使用壽命，推薦使用TVS二極管陣列來提供保護(hù)。相比于競(jìng)爭(zhēng)性技術(shù)，TVS二極管陣列不僅能滿足集成電路(IC)對(duì)于小內(nèi)存的要求，也能提供較低的箝制電壓，即TVS二極管陣列能夠保護(hù)先進(jìn)的集成電路(IC)。EFT影響、臨近雷擊或潛在停電事故使提供合適的過電流和過電壓保護(hù)解決方案成為必要。 通過采用合適的過電流和過電壓保護(hù)元件，生產(chǎn)商可保證其產(chǎn)品成為用戶生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護(hù)元件也保證了各應(yīng)用產(chǎn)品符合安全和功能因素相關(guān)的規(guī)章條例的要求。 |
