TVS的ESD保護原理

許多集成電路(IC)都有一些可能比較敏感的輸入，這使得它們在輸入電壓遠高于正常值的的情況下(例如在ESD應力作用下)易于受損。正常工作電壓與使器件開始受損的電壓之間的區域是安全過壓區。安全過壓區與器件受損區之間有少許交疊，因為如果較大的過壓僅持續極短時間，那么即使不是在安全過壓區，器件可能也可以承受。TVS的任務就是發生ESD事件時，將輸入電壓維持在安全過壓范圍之內，而在正常工作時不影響系統性能。TVS器件被放置于鄰近ESD事件可能進入系統的位置，旨在限制敏感節點處的電壓，并將電流引至不太敏感的節點，如地電平。為實現這個功能，TVS必須在正常工作電壓范圍內擁有高阻抗,在正常工作電壓范圍之外擁有低阻抗，這樣才能將電流直接從敏感節點引開，并限制瞬態電壓。

對TVS的基本要求與具體應用有關，但一般情況下有如下要求：(1)能夠在期望的ESD應力下正常工作；(2)在正常電壓范圍內具有高阻抗(低泄漏)；(3)在正常電壓范圍之外呈低阻抗；(4)導通電壓適合應用；(5)在遭受應力期間可快速地從高阻抗轉換至低阻抗(6)電容對目標應用而言不太高。在比較具體的TVS器件類型之前，需要理解兩種分類。

單向與雙向保護：單向和雙向TVS器件都能抑制正向和負向應力。依據TVS維持高阻抗、低泄漏狀態的電壓范圍，可以最好地理解這兩個術語的不同。這種電壓范圍決定了TVS器件能保護的電路節點類型。雙向TVS具有相對于零伏電壓的對稱特性(圖1)。雙向器件最適合保護電壓基于零伏對稱或雙向的電路節點。單向TVS產品具有相對零伏電壓不對稱的特性。單向TVS器件極適合保護電壓極性始終相同的電路節點，如0到5伏這樣的單極性電壓。

電壓箝位與消弧：電壓箝位器件的工作原理是從低電壓時的高阻抗轉換至高于導通電壓時的低阻抗，且沒有負阻抗區域(圖2)。這器件通過提供接地的低阻抗通道，對高于導通電壓的電壓進行箝位。消弧(crowbar)器件在低電壓時也呈高阻抗，但當電壓較高時觸發新的導通機制，使電流增大，并伴隨著電壓下降。因此，消弧器件擁有負阻抗區域。某些消弧器件的觸發電壓可能非常高。如果消弧TVS觸發器的速度足夠快，就可以經常提供保護，即便電壓已經達到可能導致器件損壞的電平。消弧器件有時也稱作“驟回”器件，因為電壓驟然下降。

ESD TVS器件采用的技術主要有三種：壓敏電阻、聚合物和硅二極管，每種技術各有其獨特特性。

1．金屬氧化物壓敏電阻(MOV)

壓敏電阻在小電流和低電壓下具有高阻抗，但在高電壓和大電流下，它們的阻抗大幅下降，因此它們屬于電壓箝位器件。

壓敏電阻是雙向保護器件，具有很寬范圍的電流和電壓保護能力，適用從高壓輸電線路和雷電保護，到到小型ESD表面貼裝器件等應用領域，。然而，相對于它們的導電率來說，它們電容較大，這意味著它們在高速信號線路保護方面的應用受到限制。壓敏電阻在遭受多次應力后，性能也會下降，即使遠低于單次應力導致的損壞等級。

2．聚合物浪涌抑制器

聚合物浪涌抑制器件為消弧器件，且總是雙向保護器件。它們的電容很低，對高速應用具有吸引力。但是它們的短處是導通電壓高、導通阻抗性能相對較差，遭受多次應力時易于性能下降。

3．TVS二極管

如今大多數的二極管都是采用硅制造的固態器件。它們為雙端器件，很容易讓一個方向上的電流流過，但在相反方向上，它們呈現高阻抗，直到兩端電壓達到擊穿電壓。二極管本質上為單向器件，保護方式為電壓箝位。

二極管的特性取決于N區與P區的摻雜程度，這兩個區離結點的距離遠近不同。調節摻雜程度能構建反向偏置擊穿電壓在幾百伏到僅幾伏之間的二極管。設計有明確定義的反向偏置擊穿電壓的二極管，通常稱作齊納二極管。

基于二極管的TVS產品擁有其它ESD保護產品所不具備的多用性——可選擇單向和雙向保護。基本二極管是單向產品，且是僅有的單向保護元件。串聯結合兩個二極管就能輕易地構成雙向保護。雙向保護可通過共陰極或共陽極配置來實現。使用一對單向TVS器件便能實現雙向保護性能。市面上有多種基于雙向二極管的TVS器件，這些器件中的兩個二極管均位于同一個封裝，甚至經常集成在單個硅襯底上。

過去，硅TVS器件由于電容高，在保護低壓高速信號線路方面存在劣勢。然而，近年來的技術進步消除了這種不利因素。安森美半導體的新產品ESD9L5.0將硅器件保護的優勢與高速應用要求的低電容結合在一起。這個產品的特性就像一個簡單的齊納二極管。事實上，ESD9L5.0包含一個擊穿電壓低的齊納二極管和一對擊穿電壓高(因而電容小)的標準二極管。

保護元件的比較

表1總結了前面談及的三類TVS器件的基本特性。選擇恰當的保護器件應考慮多種因素，其中關鍵的決定因素就是被保護電路的特性。

對應力有不對稱敏感度的電路節點，可能需要只有TVS二極管產品才能提供的單向保護。高速應用要求非常低的電容，這使得使聚合物器件具有吸引力。聚合物器件可以滿足對低電容和保護能力的要求。為了讓聚合物TVS產品可以用在高速應用中，，高速節點需要在瞬態高壓下工作以導通聚合物TVS，并在導通模式下提供中等阻抗。

由于成本低、不要求高壓導通，壓敏電阻常常具有吸引力。如果它們被制造得足夠大以提供具有足夠低的導通阻抗，從而提供充足的保護，那么它們的電容通常對高速應用而言就太大了。TVS二極管產品具有很好的箝位能力，如今市場上也有超低電容的TVS產品，甚至適合最高速的應用。二極管也頗具吸引力，因為它們能夠用作單向保護器件，匹配當今許多高速數字信號的電壓范圍。