【好书共读——《硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计》】——04 ESD和TVS管

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硬件设计指南：从器件认知到手机基带设计

——ESD和TVS管

 

        在干燥的冬天，我们在触摸金属时常常会被“电”到，那么这时什么原因？其实这就是人体接触金属放电的过程。冬天空气干燥，空气导电性低，物体表面聚集的电荷不容易释放，电荷随着时间不断在局部积累电荷，形成较高电势。金属是良好的导体，电荷非常容易移动，当接触到电中性的导体（人体）时，电荷快速移动，形成放电通路。而夏天空气湿润，物体表面被湿润空气包围，电荷容易被快速释放，因此就不会被电到。相同的现象也会发生在电子产品中，可能会导致产品发生黑屏、闪屏、甚至死机，这被称为ESD（Electro-Static Discharge）,中文为“静电释放”，这是一种客观现象。

        那么，电路设计中如何防止ESD呢？通常工程师们会使用TVS来保护电路元器件。TVS（Transient Voltage Suppressor）,中文名“瞬态电压抑制器”，这是一种二极管形式的保护器件，可以用来抑制ESD对电子电路的影响，保证电路系统正产工作。TVS分为单向TVS和双向TVS，顾名思义单向TVS只能防护一个方向的ESD，而双向TVS可以防护两个方向的ESD，这类似于稳压二极管，利用二极管PN结的雪崩击穿原理，避免ESD进入受保护器件端口。单向TVS和双向TVS电路符号如图1所示。

图 1 单向TVS和双向TVS电路符号

        通常TVS在电路中与受保护器件并联，正常状态时TVS呈现高阻，当瞬间电压足够大时，TVS会表现为低阻通路，将大电压干扰释放掉，避免传输到受保护器件两端。TVS防护电路工作原理如图2所示。ESD瞬态高压如图3所示。

图 2

图 3

        TVS管可以有效防护ESD，又不影响电路系统正常工作，那它怎么选型？TVS管是利用反向时的的工作特点箝位电压，类似于二极管反接并联在电路中。TVS的主要参数有反向工作电压U_RWM、漏电流I_R、击穿电压U_BR、箝位电压U_C，以及瞬态峰值功率P₀。下面将一一介绍这几个重要参数，可参考图4。

图 4

        1、反向工作电压U_RWM，Peak Reverse Working Voltage，在这个电压以下，TVS管基本不会有电流流过，系统功耗非常小。因此，在电路设计时需要注意，U_RWM需要大于电路的工作点，如电路工作电压3.3V，那么U_RWM需要大于3.3V,避免TVS管提前导通，导致系统工作异常。

        2、漏电流I_R，Reverse Leakage Current，这是TVS管工作在反向工作电压U_RWM下的电流，电流值很小，选型时需要尽可能小，以降低系统功耗。

        3、击穿电压U_BR，Breakdown Voltage @ I_T，这是指TVS管在一定电流I_T下，TVS管反向导通时的两端电压，此时TVS处于低阻抗通路，进入雪崩击穿。

        4、箝位电压U_C，Clamping Voltage @ Ipp，这是指在峰值电流Ipp作用下TVS两端电压。该电压需要小于后端被保护电路所能承受的最大电压，否则将导致后端器件被损毁，保护失效。

        5、瞬态峰值功率P₀，这表示TVS管所能承受的最大瞬态功率，即箝位电压U_C和峰值电流Ipp的乘积，防止热功率较大导致TVS管失效。

        除了以上重要参数外，TVS还有很多详细参数，可以参考器件的数据手册。TVS在电路布局时需要防止容易引入静电的位置，如果距离太远将导致TVS防护失效。

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