esd保护

esd保护

-

2023年3月19日发(作者：铁字书法)

ESD器件防护原理

这里介绍比较常用的TVS管和压敏电阻。

一、ESD器件的主要性能参数

1、最大工作电压

允许长期连续施加在ESD保护器件两端的电压(有效值)，在此工作状态下ESD器件不导通，保持高阻状态,反向漏

电流很小。

2、击穿电压

ESD器件开始动作(导通)的电压.一般地，TVS管动作电压比压敏电阻低.

3、钳位电压ESD器件流过峰值电流时，其两端呈现的电压，超过此电压,可能造成ESD永久性损伤.

4、漏电流

在指定的直流电压（一般指不超过最大工作电压)的作用下,流过ESD器件的电流。一般地，TVS管的反向漏

电流是nA级，压敏电阻漏电流是μA级，此电流越小，对保护电路影响越小。

5、电容

在给定电压、频率条件下测得的值，此值越小，对保护电路的信号传输影响越小.比如硅半导体TVS管的结

电容(pF级），压敏电阻的寄生电容(nF级）

6、响应时间

指ESD器件对输入的大电压钳制到预定电压的时间.一般地,TVS管的响应时间是ns级，压敏电阻是μs级，此

时间越小,更能有效的保护电路中元器件。

7、寿命

TVS技术利用的是半导体的钳位原理,在经受瞬时高压时，会立即将能量释放出去，基本上没有寿命限制;而压敏电

阻采用的是物理吸收原理，因此每经过一次ESD事件，材料就会受到一定的物理损伤，形成无法恢复的漏电通道，

会随着使用次数的增多性能下降,存在寿命限制。

二、TVS管（硅半导体）

瞬态抑制二极管简称TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件,利用P-N结的反向击穿工作原理，将静电的高压

脉冲导入地，从而保护了电器内部对静电敏感的元件.以TVS二极管为例：当瞬时电压超过电路正常工作电压后,TVS

二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并

且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压.当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻状态，整个

回路进入正常电压。TVS管的失效模式主要是短路，但当通过的过电流太大时，也可能造成TVS管被炸裂而开路。

TVS管有单向和双向两种,单向TVS管的特性与稳压二极管相似，双向TVS管的特性相当于两个稳压二极管反向串

联,其I-V曲线特性图见图1，图中性能参数注解:

①反向断态电压(截止电压)VRWM与反向漏电流IR：反向断态电压（截止电压）VRWM表示TVS管不导通的

最高电压,在这个电压下只有很小的反向漏电流IR。

②击穿电压VBR：TVS管通过规定的测试电流IT时的电压，这是表示TVS管导通的标志电压。

③脉冲峰值电流IPP：TVS管允许通过的10/1000μs波的最大峰值电流（8/20μs波的峰值电流约为其5

倍左右，8/20μs是定义IPP脉冲波电流，请参考下图2)，超过这个电流值就可能造成永久性损坏。在

同一个系列中，击穿电压越高的管子允许通过的峰值电流越小.

④最大箝位电压VC：TVS管流过脉冲峰值电流IPP时两端所呈现的电压.

⑤正向导通电压VF：TVS通过正向导通电流IF的压降。

除上述性能参数外，TVS管还有一个关键参数:P-N结电容Cj。

图1TVS管I-V曲线特性图

图2

图41090074的电气特性

三、压敏电阻(MLV/MOV）

多层压敏电阻（MLV）及金属氧化物压敏电阻(MOV）利用ZnO等压敏陶瓷材料的压敏特性，实现了对静电的防护，

压敏电阻器的电阻体材料是半导体，当施加于压敏电阻器两端电压小于其压敏电压，压敏电阻器相当于10MΩ以上绝

缘电阻；当在压敏电阻器两端施加大于压敏电压的过电压时，压敏电阻器的电阻急剧下降呈现低阻态,从而把电荷快速

导走，有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏。压敏电阻采用的是物理吸收原理，因此每经过一次ESD事

件，材料就会受到一定的物理损伤，形成无法恢复的漏电通道,会随着使用次数的增多性能下降，存在寿命限制问题.

压敏电阻支持双向保护，它的伏安特性是完全对称的,见图5，V

W

:正常工作电压。I

L

：最大V

w

工作条件下的漏电电流.

压敏电阻的失效模式主要是短路，但当通过的过电流太大时，也可能造成阀片被炸裂而开路。

V

IR

双向TVS管

IT

IPP

VRWMVc

VBR

单向TVS管

I

IF

VFIR

IT

IPP

VRWMVc

VBR

I

V

图5ZnO等压敏陶瓷材料的压敏电阻I—V曲线特性图

四、TVS管和压敏电阻应用场合

通过对TVS管和压敏电阻的性能对比，根据各自的优点,适合应用场合列下:

1、与压敏电阻比较，TVS管具有响应时间快、钳位电压偏差小、结电容小、反向漏电流小和无寿命限制等优点，因

而较适合于信号质量要求高、线漏电要求小等接口的ESD防护,比如高速数据信号传输线、时钟线等.

2、与TVS管比较，压敏电阻的击穿电压VBR和箝位电压VC都相对高，通流能力相对强,具有更强的浪涌脉冲吸收能力,

因而较适合于电源接口的ESD或浪涌防护。

3、对于两者都适合的场合，考虑价格因素，选用压敏电阻.

IL

VW

V

1mA

VBR

IPP

VC

①预击穿区(V≤VBR)：在此区域内，当施加于压敏电阻器两端电

压小于其压敏电压，压敏电阻器相当于10MΩ以上绝缘电阻。

②击穿区(VBR＜V≤VC)：当在压敏电阻器两端施加大于压敏电压

的过电压时，压敏电阻器的电阻急剧下降呈现低阻态，其两端电

压的微小变化就可引起电流的急剧变化。

③上升区(VC＜V)：当过电压很大，上升区电流和电压几乎呈线

性关系，压敏电阻在该区域已经恶化，失去了其抑制过电压、吸

收或释放浪涌能量等特性，甚至造成压敏电阻永久性的损坏。

I