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摘要：本文通過采用合適的過電流和過電壓保護元件，生產商可保證其產品成為用戶生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護元件也保證了各應用產品符合安全和功能因素相關的規章條例的要求。 許多用戶都沒有意識到他們自己每天在使用的電子設備存在著最大的風險。電路保護是所有電子設備必有的特性——不論是車載、家用或是工用電子設備——因為只要人體接觸含敏感電子半導體的器件，就會出現ESD(靜電放電)現象。 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，若觸碰到金屬車門，就會有電擊感。這種電擊感，對司機來說不過是無傷大雅的不適感，但對敏感電子設備來說，其影響要大得多。想象一下，當拿起手機或平板電腦，卻發現有些按鍵或數據端口失靈了。現實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致的直接后果。 雖然靜電放電(ESD)不會導致手機“爆炸”之類的災難性事故，但是沒有靜電放電(ESD)保護，手機很可能難以對鍵盤或按鈕輸入做出有效反應。同樣，靜電放電(ESD)損傷會導致USB或以太網之類的接口端口在與其他設備連接時難以發揮正常的功效。 1 靜電放電(ESD)背后的物理學 ESD(靜電放電)事件均可追溯為稱作摩擦帶電的現象，兩種材料彼此接觸而后迅速分開即可產生摩擦帶電現象。由于兩種材料的電子發生轉移，一個積聚正電荷，另一個積聚負電荷。電荷的產生了取決于數種因素，包括接觸面積、分離速度、相對溫度和材料化學性質。盡管這種過程每天發生數千次，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百伏到數萬伏不等。表1所示即為產生靜電荷電壓的實例。 鑒于半導體芯片的尺寸變得越來越微型化，靜電放電(ESD)影響已成為當今尖端但成本敏感的電子消費產品難以解決的問題。如今，能夠提供ESD保護的構件太大，并且在成本上與構成集成電路組件的硅集成電路(IC)關系較大。其結果是，集成電路(IC)供應商移除或大大縮減內置ESD保護電路部分。問題是，集成電路一旦組裝到電子消費產品中，離開了生產時的受控環境，它們很可能會受到未受控制的ESD事件的影響。 此外，盡管集成電路(IC)生產商在歷史上曾使用特別是與生產環境有關的ESD測試模型(MIL-STD-883、方法3015：人體模型)，但設備生產商——對業內ESD事件有所考慮——卻使用IEC(國際電工委員會)規定的更為嚴苛的模型，即IEC 61000-4-2標準。本文中，多數集成電路(IC)供應商在500V下利用人體模型(HBM)對其產品進行測試，而終端用戶設備生產商根據IEC 61000-4-2標準在8000V(或以上)下進行測試。 表1比較了多數芯片組供應商使用的HBM(人體模型)ESD電流，他們以此預防IEC 61000-4-2列舉的環境ESD事件，這些事件多數用戶會在不覺間引入電子消費器件。 很明顯，最壞情況下的HBM ESD峰值電流遠遠低于IEC 61000-4-2規定的最壞情況下ESD峰值電流(見表2加粗的數字)。 與HBM所述的8kV事件相比，IEC 61000-4-2規定的8kV事件暗指電流為其5.6倍。芯片組能夠通過HBM測試的——用于生產環境——不能保證適應實際應用，因為ESD的影響更加嚴重。最后，如前文所述，大多數集成電路(IC)供應商利用人體模型僅測試到500V。如果在實際應用中暴露在8kV ESD瞬變電壓中，芯片組面臨的電流會增加近100倍，除非集成電路(IC)設計包含ESD保護，否則這種程度的電流足以決定芯片組的命運。 近年來，應用測試要求越來越嚴苛，以致于8kV ESD事件如今已成為最低水平。測試等級正在向20kV、甚至30kV發展，但同時，集成電路(IC)供應商卻在芯片組設計中取消了電路保護，從而釋放硅元面積，以提供更多功能。以下數字表明了芯片組內置ESD水平和在實際應用中可能遭受的ESD影響水平之間的差距，強烈反映出不斷增長的需求對于追加ESD保護的需要。 2 保護很重要 如果想要電子消費產品抵抗住ESD事件，繼續按原設計發揮功效，至關重要的是選擇正確的ESD保護器件——通稱稱作瞬態電壓抑制二極管(TVS)陣列。動態電阻是需要考慮的關鍵性ESD保護參數之一，甚至可能是選擇保護元件的最重要的參數。任意一種保護解決方案都具有與其箝制電壓特性相關的固有電阻值。理想情況下，固有電阻應最低，以保證保護解決方案在發生浪涌時具備最低阻抗接地回路。 圖2原理圖描述了這個問題。在ESD事件中，箝制器件打開，從高阻抗標稱狀態變為低阻抗。如果串聯電阻較高，保護元件生成高電壓(V=IR)，即集成電路(IC)受到的有效保護降低。如果串聯電阻較低，保護元件生成的電壓也會降低，反過來降低集成電路(IC)受ESD影響的程度。這種較低的動態電阻(箝制模式下保護元件的電阻值)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態電阻值而設計，因而能夠將保護元件的總體壓降減至最低，把流經保護元件而非保護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，由于本身具有較低的動態電阻，半導體保護器件能夠提供最好的ESD保護。通常，半導體類元件的動態電阻范圍為0.2?~3.0?，具體取決于供應商的產品設計，而陶瓷解決方案(電容相同)所提供的動態電阻的范圍平均為2?~5?。 圖3的曲線顯示了各元件通入8kV ESD瞬變時，硅元件及其相應的壓敏電阻之間允通能量的差異，著重強調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潛在損傷或過早失效方面表現了兩種元件之間的差異。 3 根據標準提供保護 電子消費產品的種類和持續發展似乎沒有盡頭：LCD電視、智能手機、平板電腦、電子書閱讀器、機頂盒、游戲機、數碼相機、音頻播放器及凡此種種。盡管品類繁多，此類設備通常配置相同的端口或連接。作為此類設備與外部世界的接口，此類連接需要ESD保護。幾乎所有的電子消費產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(HDMI、S-Video、復合視頻、LCD模件) ● 音頻輸出 ● 低速數據接口(USB1.1、IEEE 1394、RS 232C、RS 485) ● 高速數據接口(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準的規定，也就是說，需要過電流和過電壓保護。其他功能也需要免受諸如ESD之類的環境因素的影響，但也需要防止附近高電感性負載設備循環打開和關閉(如真空吸塵器)所導致的的雷擊電涌或EFT(脈沖群)。 產品直接與交流主電源(120V~250V交流電)連接，可能會受到嚴重的浪涌瞬變(雷擊、負載合閘等)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(保險絲或PTC)和過電壓(MOV、TVS或TVS二極管陣列)保護。特別要求提供此類保護的標準有： ● IE 61000-4-4(EFT用戶級環境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) ● IEC/EN 60950-1(安全標準) 便攜式電子消費產品含有AC或DC適配器的，可能會遭遇特定的ESD和低極雷電威脅，對于這些威脅，必須要有所考慮。有些標準可能對此類保護具有特別的要求，這些標準有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶級環境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) 鍵盤或其他手動接口按鈕可能會成為ESD之類的破壞能源的侵入點。音頻線路由于揚聲器接線和手動操作也會受到類似的ESD的影響。S-Video、復合視頻和HDMI的接頭也極易受到ESD的影響，因為它們經常接受手動操作。電池組應用應耐受必須加以預防的類似的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，低速和高速數據線也會遭受ESD影響;根據實際布置，它們也可能會遭受雷電感應浪涌的影響。非常適用此類應用的國際標準有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶級環境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) 消費產品面臨著日益遞增的遭受類似ESD過電壓瞬變破壞的風險。隨著集成電路(IC)設計師在芯片組中集成更多的功能，內置ESD耐受性卻在大幅度下滑——致使采用外部保護元件成為必要。設備生產商根據國際IEC 61000-4-2標準進行測試;為保護產品的預期使用壽命，推薦使用TVS二極管陣列來提供保護。相比于競爭性技術，TVS二極管陣列不僅能滿足集成電路(IC)對于小內存的要求，也能提供較低的箝制電壓，即TVS二極管陣列能夠保護先進的集成電路(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解決方案成為必要。 通過采用合適的過電流和過電壓保護元件，生產商可保證其產品成為用戶生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護元件也保證了各應用產品符合安全和功能因素相關的規章條例的要求。 3 根據標準提供保護 電子消費產品的種類和持續發展似乎沒有盡頭：LCD電視、智能手機、平板電腦、電子書閱讀器、機頂盒、游戲機、數碼相機、音頻播放器及凡此種種。盡管品類繁多，此類設備通常配置相同的端口或連接。作為此類設備與外部世界的接口，此類連接需要ESD保護。幾乎所有的電子消費產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(HDMI、S-Video、復合視頻、LCD模件) ● 音頻輸出 ● 低速數據接口(USB1.1、IEEE 1394、RS 232C、RS 485) ● 高速數據接口(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準的規定，也就是說，需要過電流和過電壓保護。其他功能也需要免受諸如ESD之類的環境因素的影響，但也需要防止附近高電感性負載設備循環打開和關閉(如真空吸塵器)所導致的的雷擊電涌或EFT(脈沖群)。 產品直接與交流主電源(120V~250V交流電)連接，可能會受到嚴重的浪涌瞬變(雷擊、負載合閘等)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(保險絲或PTC)和過電壓(MOV、TVS或TVS二極管陣列)保護。特別要求提供此類保護的標準有： ● IE 61000-4-4(EFT用戶級環境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) ● IEC/EN 60950-1(安全標準) 便攜式電子消費產品含有AC或DC適配器的，可能會遭遇特定的ESD和低極雷電威脅，對于這些威脅，必須要有所考慮。有些標準可能對此類保護具有特別的要求，這些標準有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶級環境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) 鍵盤或其他手動接口按鈕可能會成為ESD之類的破壞能源的侵入點。音頻線路由于揚聲器接線和手動操作也會受到類似的ESD的影響。S-Video、復合視頻和HDMI的接頭也極易受到ESD的影響，因為它們經常接受手動操作。電池組應用應耐受必須加以預防的類似的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，低速和高速數據線也會遭受ESD影響;根據實際布置，它們也可能會遭受雷電感應浪涌的影響。非常適用此類應用的國際標準有： ● IEC 61000-4-2(ESD用戶級環境) ● IEC 61000-4-5(雷電感應浪涌) 消費產品面臨著日益遞增的遭受類似ESD過電壓瞬變破壞的風險。隨著集成電路(IC)設計師在芯片組中集成更多的功能，內置ESD耐受性卻在大幅度下滑——致使采用外部保護元件成為必要。設備生產商根據國際IEC 61000-4-2標準進行測試;為保護產品的預期使用壽命，推薦使用TVS二極管陣列來提供保護。相比于競爭性技術，TVS二極管陣列不僅能滿足集成電路(IC)對于小內存的要求，也能提供較低的箝制電壓，即TVS二極管陣列能夠保護先進的集成電路(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解決方案成為必要。 通過采用合適的過電流和過電壓保護元件，生產商可保證其產品成為用戶生活不可或缺的一部分。選擇正確的保護元件也保證了各應用產品符合安全和功能因素相關的規章條例的要求。 |
