【導(dǎo)讀】伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展和集成電路的廣泛應(yīng)用，各種電子設(shè)備不斷朝著尺寸小型化、功能多樣化和高度集成化方向發(fā)展。手機(jī)作為便攜式電子產(chǎn)品，對(duì)尺寸的要求更苛刻，而隨著3G 時(shí)代來(lái)臨，未來(lái)的手機(jī)功能會(huì)更強(qiáng)大，各種功能模塊的集成度會(huì)更高，這些都使各類芯片耐受過電壓的能力下降，從而對(duì)手機(jī)的過電壓、靜電釋放(ESD) 等防護(hù)電路提出了更高的要求。
根據(jù)IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)，各類電子器件的最低耐壓標(biāo)準(zhǔn)為2kV， 但一些半導(dǎo)體器件以及芯片受工藝線徑等因素影響，耐壓有可能小于2kV ，而ESD 可能達(dá)8kV 甚至更高，因此有必要對(duì)手機(jī)進(jìn)行專門的過電壓和ESD 防護(hù)。
電路防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)的方案選擇
1. 分級(jí)防護(hù)
過電壓能量通過傳導(dǎo)耦合和輻射耦合來(lái)傳播，線路中過電壓是隨機(jī)產(chǎn)生的，必須對(duì)其能量進(jìn)行減弱吸收，才能避免對(duì)線路產(chǎn)生功能性損壞。這需要對(duì)線路進(jìn)行功能模塊劃分，對(duì)每一模塊進(jìn)行逐級(jí)過電壓抑制及能量吸收，才能有效達(dá)到過電壓防護(hù)目的。
例如在計(jì)算機(jī)的千兆網(wǎng)口部位，容易受到雷電感應(yīng)過電壓影響，如果在此部位不做保護(hù)則很容易損壞網(wǎng)卡。因?yàn)槟芰亢艽螅绻挥眯∪萘繅好綦娮璺雷o(hù)起不 到很好的防護(hù)效果，這時(shí)候可以采用分級(jí)防護(hù)的方案，在變壓器的初級(jí)采用放電管進(jìn)行初級(jí)保護(hù)，在網(wǎng)卡芯片部位采用小容量的壓敏防護(hù)，這樣既不會(huì)影響到線路傳 輸速率，也可以有效防止雷擊。
2. 增大被保護(hù)器件的內(nèi)阻
大部分過電壓防護(hù)器件在起作用時(shí)，會(huì)將過電流泄放到實(shí)地上，這時(shí)候防護(hù)器件的電阻非常小。被保護(hù)器件兩端的電壓被壓敏電阻抑制至100V以下，遠(yuǎn)低于2KV(參考ESD耐壓)，但在IC內(nèi)阻比較小的情況下，通過IC的脈沖電流會(huì)很大，需要從幾個(gè)方面調(diào)整：
a. 調(diào)整線路布線結(jié)構(gòu)，減小通過IC的脈沖電流回路面積、增大回路阻抗。脈沖回路可以看成感應(yīng)圈，當(dāng)其他電路有脈沖電流通過時(shí)，會(huì)在此回路產(chǎn)生過電壓和脈沖電流，減小過電壓和脈沖電流影響的有效方法是減小通過IC的脈沖電流回路面積。
b. 通過型號(hào)選擇，降低壓敏電阻瞬態(tài)內(nèi)阻根據(jù)不同線路的傳輸速率，等效內(nèi)阻等方面的差異，選擇恰當(dāng)?shù)钠骷侨〉昧己玫姆雷o(hù)效果的重要步驟。
c. 與IC串聯(lián)磁珠、電容或電阻，增加其回路阻抗。在線路傳輸信號(hào)許可條件下，可采用串聯(lián)磁珠、電容或電阻Z的方法，提高回路阻抗，改善壓敏電阻的過電壓防護(hù) 效果。該方案能夠減小通過IC的脈沖電流，有一定設(shè)計(jì)裕度，可避免因元件更換、PCB板和布線差異等而可能引起的過電壓防護(hù)不良問題。
3. 防護(hù)器件放置位置和接地設(shè)計(jì)過電壓防護(hù)器件最好靠近過電壓源放置，例如各個(gè)接口、天線、電源等部位。當(dāng)過電壓產(chǎn)生源不明確，或者需要保護(hù)特定的芯片時(shí)，將防護(hù)器件靠近被保護(hù)器件放置。很多防護(hù)器件需要良好的接地設(shè)計(jì)才能將脈沖電流能量迅速泄放到接地上，所以防護(hù)器件與地的距離盡量要小，同時(shí)線徑要大。
手機(jī)ESD防護(hù)方案使用器件對(duì)比
目前手機(jī)過電壓ESD防護(hù)方案中用到的器件主要有：采用氧化鋅陶瓷材料制作的壓敏電阻MLV；基于半導(dǎo)體技術(shù)的ESD抑制器件如TVS二極管以及其他防護(hù)IC；基于高分子聚合物技術(shù)的聚合物ESD元件。
TVS管的突出優(yōu)點(diǎn)是限制電壓比較低，最低可以達(dá)到10伏以下，這在過電壓保護(hù)中起到良好的抑制過電壓作用，不足之處是不能吸收過電壓能量。而聚合物ESD壓敏電阻得益于材料和結(jié)構(gòu)，電容量最小可做到0.05pF以下，可應(yīng)用于超高速線路，例如USB3.0、HDMI1.4等，不足之處是導(dǎo)通電壓很高、不能吸收能量。
壓敏電阻的氧化鋅陶瓷內(nèi)部晶粒結(jié)構(gòu)可以吸收一部分能量，因此能夠耐受較大瞬態(tài)能量，不僅可以用來(lái)進(jìn)行ESD防護(hù)，還可以對(duì)感應(yīng)過電壓，操作過電壓進(jìn) 行防護(hù)。同時(shí)疊層壓敏電阻內(nèi)部還是電容結(jié)構(gòu)，有利于線路的EMC設(shè)計(jì)。壓敏電阻的缺點(diǎn)是限制電壓比較高(順絡(luò)的壓敏電阻大部分限制電壓在50V以下，部分 小電容產(chǎn)品超過50V)，但這樣的限制電壓已經(jīng)遠(yuǎn)小于各類器件芯片的瞬間耐受電壓，可以起到優(yōu)秀的過電壓防護(hù)效果。 在價(jià)格方面，壓敏電阻性價(jià)比更高，TVS管和Polymer價(jià)格比壓敏電阻要高很多。壓敏電阻因?yàn)槠渫怀龅男詢r(jià)比，緊湊的尺寸，優(yōu)秀的綜合性能迎合了手機(jī) 性價(jià)比和小尺寸的要求，在手機(jī)ESD防護(hù)解決方案上得到廣泛的應(yīng)用。
壓敏電阻應(yīng)用時(shí)一端與被保護(hù)器件并聯(lián)，另外一端要接地。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，壓敏電阻呈現(xiàn)大電阻(MΩ級(jí)別)特性，壓敏處于開路狀態(tài)；當(dāng)過電壓達(dá)到壓 敏電壓時(shí)，壓敏電阻迅速變成小電阻(數(shù)Ω級(jí)別)，在此過程中，壓敏電阻氧化鋅晶粒吸收部分能量，其余泄放到實(shí)地，有效避免地電位產(chǎn)生瞬態(tài)電磁干擾。
如何為手機(jī)應(yīng)用選擇合適的壓敏電阻
最大直流工作電壓、電容量、瞬態(tài)電阻是為手機(jī)應(yīng)用選擇壓敏電阻時(shí)需要注意的性能指標(biāo)。以下為具體的判斷和選擇方法。
1. 最大直流工作電壓(Vdc)
最大直流工作電壓指壓敏電阻器在最高操作溫度下使用時(shí)的最大持續(xù)直流工作電壓，被用來(lái)作為測(cè)試漏電流的對(duì)應(yīng)電壓點(diǎn)，該電壓總是比壓敏電壓小。應(yīng)用時(shí)，Vdc要大于系統(tǒng)的額定工作電壓，這樣才能保證系統(tǒng)正常工作。
2. 電容Cp
壓敏電阻內(nèi)部是電容的結(jié)構(gòu)，電容量的大小對(duì)高速線路影響很大，對(duì)于高頻率傳輸信號(hào)，電容Cp應(yīng)小些，反之亦然。如在USB3.0、IEEE1394、HDMI 接口使用低于1pF壓敏電阻。
3. 內(nèi)阻匹配
壓敏電阻在線路中的應(yīng)用如圖1所示，根據(jù)IEC61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)，電路中元器件耐壓至少應(yīng)為2kV(7.5A)，要使IC不受ESD影響，則在不同條件下：當(dāng)線路中出現(xiàn)8kV ESD時(shí)，Rv＜R/3；當(dāng)線路中出現(xiàn)1kV ESD時(shí)，Rv＜R/5。保險(xiǎn)起見, 選壓敏電阻時(shí), 其瞬態(tài)電阻Rv 應(yīng)小于R/5。 瞬態(tài)內(nèi)阻與壓敏電阻的電容有很大的關(guān)系，電容越大，瞬態(tài)內(nèi)阻越小，所以在不影響傳輸速率的條件下，盡量選用較大電容的壓敏電阻。隨著電容量的增大，同尺寸同工作電壓的壓敏電阻瞬態(tài)內(nèi)阻變小。
壓敏電阻的電容值是一個(gè)很重要的參數(shù)，正確的選型可以對(duì)電路起到更有效的防護(hù)效果。針對(duì)手機(jī)各個(gè)部位的電壓大小，傳輸速率的不同，現(xiàn)給出深圳順絡(luò)電 子對(duì)ESD和過電壓防護(hù)的方案設(shè)計(jì)：圖2里推薦選用了多種壓敏電阻型號(hào)，考慮了最佳的應(yīng)用效果。實(shí)際選用過程，工程師可能更傾向于根據(jù)電路的傳輸速率選用 數(shù)種壓敏型號(hào)，便于物料的管理。
