半导体过压保护器件深度解析

syrinx

刘建朝：大家好，很荣幸有机会向大家介绍半导体过压保护器件，前面几位先生讲了各种各样的高分子的，我要讲的是半导体的过压保护器件。
大概分这几个方面的内容：1、浪涌电压的来源，我刚才看过文件，很多人介绍过，我就简单说一下；2、半导体过压保护器件简介；3、半导体过压保护器件基本知识；4、半导体过压保护器件选型；5、半导体过压保护器件应用。

目前统计到的浪涌来源大概分为四类：1、雷击，能量比较大；2、工业的过电压；3、ESD的静电保护；4、核磁辐射。雷击对设备的损害大概有三个来源，直击的雷就不讲了，不是我们今天介绍的产品能保护的，我们只介绍通过传导的方式进入到设备里，造成设备的损坏，有三种渠道：1、室外传输线路遭受雷击；2、闪电带来的电磁脉冲辐射；3、地电位反击。
这是浪涌电压的图形，它的伏值很高，但是作用时间很短，这样的话功力相对来说比较小，可以用微小的半导体来保护。
工业过电压就不讲了，因为是工业应用中遇到的问题，相对来说比较简单。

下面是静电，静电是无处不在的东西，尤其是对电子设备的影响非常大，而且到处都在，集成电路随着集成度的提高，抗静电的能力会变得越来越差，所以需要有一个器件来进行保护，如果不保护的话很容易损坏。这是浪涌电压对设备的影响：一是造成设备局部或整机的损坏；二是干扰正常功能，影响使用效果；最可怕的就是这种浪涌会加速设备的老化，缩短它的寿命，这是很致命的。目前认为半导体的过压保护器件有三大类：一种是TVS/ESD保护器件，第二种是稳压管，第三种是功力更大的，用来防雷的半导体保护器件。
首先介绍静电的基本知识，来自电子元件技术网(http://www.cntronics.com/)的元器件基础知识栏目(http://www.cntronics.com/public/baike)我们中学里都学过了。目前静电大概分四类：人体放电模型、机器放电模型、组件充电模型、电场感应模型，第一种用得最多，第二种也会经常用到。这是人体放电模型的分析和机理，这个图目前用得很多，对静电、放电做测试大多是采用这个模型来做。这是机器放电的模型，两个等效的电路图差距很大，这个能量更大，这是器件充电的模型，这是电场感应的模型。ESD的危害刚才也讲了：1、损坏电子产品及设备；2、降低产品可靠性；3、威胁人身安全，每年静电造成的损失非常大。这是一些危害的实例，它的机理大概分为这几种，导致被保护的器件失效：1、二次击穿；2、金属镀层熔融；3、介质击穿；4、气弧放电；5、表面击穿；6、体击穿。

ESD保护的意义非常重要：1、保护电子产品免受损坏；2、提高产品的可靠性，对公司品品牌的影响非常大；3、投资回报率高。刚才齐先生也讲了，我们用到的标准就是国际电工委员会的标准，详细的大家可以调标准来看。下面我介绍这一类的产品，一类叫小功率的，就是用在手持终端设备里的，还有一些大功率的 TVS。这是我们目前有的，国际上也是这样分的，半导体ESD保护器件分为两大类：一类是纯的ESD保护，一类是把ESD和EMI集成在一起，起到双重保护的作用。单独的ESD又分很多种：单路，单路分单路单向、双向，各种体积都有。还有半导体的保护器件的优势，可以做成阵列式，尤其是用在数据线的领取，非常方便。还有一块刚才那位先生也讲了，低电容的也是我们目前的发展趋势，因为产品的数据传输速度越来越高，需要我们的电容做得越来越小。还有一类是 ESD加EMI，大家都知道EMI对人体的损伤非常大，包括手机等领域，包括LED灯，都有EMI的辐射，EMI的保护也越来越重要。这是TVS的机理，TVS也可以做成这样双向的TVS，而且也是很普遍的，不管浪涌来自于正向还是负向都可以起到保护的作用，所以我们在关断电压的时候最少要比正常电压高10%，保证在电路工作的时候TVS不会对产品的性能造成影响。这也是很重要的指标，它的箝位电压，目前所有保护的器件里，半导体的保护器件，TVS是最好的。集成电压可以做到很低，因为低电压也是目前设备发展的趋向，我们的CPU已经从5V降到3.3U再降到1.8V，这也需要保护的门槛越来越低，TVS可以做到几伏以内，因为你很难用一个高压的东西保护一个1.8V电源的CPU，这需要低压半导体的TVS来保护。
这次能有机会站在这里跟大家分享，还得感谢本次研讨会主办方电子元件技术网、我爱方案网(http://www.52solution.com)和 中国电子展 ( http://www.xfdzz.net )。言归正传，大家要考虑的，就是你的设备到底能承受多大的冲击，选择浪涌的功率是多大，要给自己提供一个保护的门槛。刚才齐先生讲了，极间电容也是要考虑的，在高速的数据端，不能简单地选择一个TVS放在那里，因为TVS的电容零点PF到几百个PF都可以覆盖，所以大家在选TVS的时候要慎重地考虑。这是我们给出的参照表，你的工作频率在那个范围里，你选择TVS的极间电容在什么范围的对照表，这个推荐是一个非常宽松的推荐，可以再放宽。目前TVS主要的应用领域是这几点，一是安防系统，最大的还是手持终端，大家只要是我们手拿的，包括手机、蓝牙、GPS、数码相框、MP3、MP5，应用范围非常广，还有以太网的保护，这块也越来越提到日程上，还有LED的保护，因为LED的防静电的能力很差，所以LED的保护很重要，不管是路灯还是小灯管都需要保护。还有一个很重要的领域就是军用领域的保护。这是我们给出的手机上的保护方案，这10个部位都需要保护，我们把它一一列举出来，因为不同的地方保护的特点不一样。大概列出来这几个部位，SIM卡插座与CPU读卡电路、键盘电路、耳机、麦克风电路、电源接口、数据接口、USB接口、彩屏LCD驱动接口，我也建议大家用多路的保护，因为像数据口、USB口多路的话成本会很低，差距很大，需要大家考虑，因为目前手机领域里我们接触比较多的，山寨机大部分都是用单路的，但是品牌手机很多都是多路的，成本会比单路的好很多。

目前TVS的发展趋势有几个：第一，低电容化，这个很重要，因为信号的传输频率越来越高；第二，低电压化，因为CPU的工作电压越来越低，需要你保护器件的工作电压也越来越低；3、微型化，因为我们手持终端越来越小，所以微型化也越来越重要；第四，集成化，也就是兼容和微型化，我们把它集成在一起。现在有 6路、8路甚至12路都可以集成在一起。还有一个是大功率的TVS，电源的保护也是非常重要的一方面，我们把它分为两种，一是传统的、常规的TVS，一种是低电容的，低电容是目前所有电子元器件发展的趋势。因为它是用在大功率的地方，所以它的体积都很大，功率也很大。低电容也是在这几个系列里发展，会低到什么程度？目前能做到低电容的，像600W常规的电容大概在1500PF左右，在这里低电容可以做到20PF，这样的话大TVS信号线的地方也可以应用，如果传统的TVS用到信号端有很大的问题。
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它的领域就更广泛了，只要有浪涌的地方都可以用。TVS的发展趋势：一是低电容化；二是微小型化，因为大功率的TVS，大家对它的吸收能力要求非常高，体积太小的时候，热容量比较小时候会带来很多问题，所以不是简单的微型化，要考虑到功率和体积的相溶性，这点非常重要。稳压管大家也越来越多到把它做保护用，它的原理很简单，和TVS很相像，只是作用方向不一样。目前小体积有500mw、200mw，可以分为123、323、523、923，特别适合手持终端用。目前我们自己的稳压管可以实现大功率的小封装，我们的MTK根据它的要求做一系列的大功率、小封装的稳压管，如果是MTK的客户可以到网上看到我们的产品。这是我们产品的列表，从2W左右一直到70、80伏都有覆盖。
第三类的保护就是半导体的过压保护器件，这类器件主要是用来防雷，它的防雷效果是最好的。刚才也改到了雷击的性能，我就讲一下防雷，目前防雷的基本原则都是这样做的，就是在雷击点和要保护的设备之间加一个传导装置，把雷击的能量泄放掉，我们目前看到的基本上都是这样的。美国人做过一个统计，因为雷击每年对我们的设备造成的影响大概占13%左右，小偷最厉害了。雷击的能量非常大，不像静电损伤的非常小，雷击足以把电路板烧得一塌糊涂，所以防雷和防静电不一样，防雷要分级别，大家一定要有分级保护的概念，所谓防雷不是贴上一个东西，加上一个器件就可以做到很安稳的防雷，国际上把它分为三级，最后一级一般是做到保护设备的板子里，因为根据设备对防雷的要求不同，因为加一级防雷的成本相当高，所以大家一定要有这样一个分级的概念。
简单介绍一下现有的防雷器件：气体防雷管、压敏电阻器、TVS、过压保护器件，大家看这个图就能看出来这两种对雷击来说一定是最差的，导致它损坏的话就是靠吸收的能量损坏，所有的能量就是电流和电压的积分，因为这两个都是尖峰的，有效的区域只有这一点点，所以它保护效果一定是最好的，这两个是比较差的。在通讯设备上气体防雷管已经淘汰了，一是因为它的反应时间太慢了，另外是它本身还有气体在里面的话会有辐射的效应，大面积应用的时候不要用这个，如果只是几颗的话还可以，如果在一个机房里有几万个气体防雷管，这是很可怕的，会造成局部的辐射环境。这是我们列出的表格，关于各种防雷器件各自优、缺点，综合来看半导体防雷器件的效果好一点，气体放电管的优点是寄生电容很小，可以把它想成日光灯的灯光，它的电极点段一定是绝缘的，这样的话电容一定很小，但是一旦导通之后电阻又很小，大家知道灯管是靠高压打穿之后，中间的气体电离以后来导电的，这样的话它的导通电阻一定很小，但是它有它的缺点，导通的非常慢，而且和空气、环境等影响很大。每次冲击都会造成它的退化。
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TVS的优点是它的箝位系数很小，体积可以做得很小，响应速度快，可能是所有的保护器件里响应速度最起的，但是它有它的缺点，一是寄生电容大，二是对防雷来说它的耐电流的量还是小，因为雷击的能量很大，箝位的作用导致它本身吸收一定的能量，会导致它比较容易坏，这是相对于半导体的防雷器件来说的。半导体过压保护有这几个优点：开启电压的一致性可以做到非常好，比气体放电管和压敏好很多，大家知道气体放电管的标准值都是正负30%，就是说从160至240这个范围里都是好的，而且这还是比较好的气体放电管。第二，和TVS相比，因为它采用了SCR 的结构，所以浪涌吸收非常强，做得像是开关一样，在导通的过程中它几乎不吸收能量，造成了它的可靠性非常高。第三，响应时间也非常快，当然比不上TVS，因为TVS的结构太简单了，但是足够快，比其他的器件快很多。最后一个是半导体的过压保护器件可以很方便的做到无极性、双向保护，可靠性比较高，寿命比较长。