摘 要：ESD靜電保護器件是一種過(guò)壓保護元件，是為高速數據傳輸應用的I/O端口保護設計的器件。文章綜述介紹TVS二極管、MLV壓敏電阻、聚合物ESD、玻璃陶瓷二極管四類(lèi)ESD 靜電保護器的保護原理，對ESD靜電保護器件的性能從材料、結構、能量耗散、箱位電壓控制、電容值、漏電損耗、耐受沖擊、性能穩定、方向性等方面作了比較分析。

關(guān)鍵詞：ESD靜電放電，靜電保護器件，TVS二極管，MLV壓敏電阻，聚合物ESD，玻璃陶瓷二極管

1 引言

ESD靜電保護器件是一種過(guò)壓保護元件，是為高速數據傳輸應用的I/O端口保護設計的器件。ESD靜電保護器件主要有四類(lèi)：以硅材料技術(shù)為代表的TVS二極管，以氧化鋅材料技術(shù)為代表的多層氧化鋅壓敏電阻，以高分子聚合物技術(shù)為代表的聚合物ESD，以玻璃陶瓷材料技術(shù)為代表的玻璃陶瓷二極管。文章綜述介紹四類(lèi)ESD靜電保護器的保護原理，對ESD靜電保護器件的性能從材料、結構、能量耗散、符位電壓控制、電容值、漏電損耗、耐受沖擊、性能穩定、方向性等方面作了比較，最后介紹了ESD靜電保護器件的應用。?

2 ESD靜電保護原理?

任何保護元件在正常工作期間必須作為高阻抗電路出現在受保護的輸入端。它所施加的電容負載必須盡可能的小，使得對正常的輸入信號幾乎沒(méi)有影響。然而，在過(guò)壓的瞬間，同一器件必須成為能量的主要通路，把能量從被保護器件的輸入端轉移出去。此外，保護器件的安全（standing-off）電壓必須高于受保護端所允許的最大信號電壓。同樣，其筘位電壓必須低到足以防止所保護的器件遭受損壞，這是由于在瞬態(tài)發(fā)生期間，輸入端上電壓將是保護器件的箱位電壓。?

ESD靜電保護器件是一種過(guò)壓保護元件，是為高速數據傳輸應用的I/O端口保護設計的器件。

將ESD靜電保護元件并聯(lián)于電路中，當電路正常工作時(shí)，它處干截止狀態(tài)（高阻態(tài)），不影響線(xiàn)路正常工作，當電路出現異常過(guò)電壓并達到其擊穿電壓時(shí)，它迅速由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，給瞬間電流提供低阻抗導通路徑，同時(shí)把異常高壓箱制在一個(gè)安全水平之內，從而保護IC或線(xiàn)路；當異常過(guò)壓消失，其恢復至高阻態(tài)，電路正常工作。?

3 ESD靜電保護器件分類(lèi)

3.1 TVS二極管?

以硅技術(shù)為代表的ESD靜電保護器件，是一種過(guò)壓、防靜電保護器件，典型代表是TVS二極管。由多個(gè)TVS晶?；蚨O管采用不同的布局設計成具有特定功能的單路或多路ESD靜電保護器件。TVS二極管，又稱(chēng)瞬態(tài)電壓抑制二極管陣列。?

TVS二極管的工作原理是通過(guò)增加PN結的面積來(lái)擴展導通電流，用法與穩態(tài)二極管類(lèi)似，都是需要并聯(lián)在線(xiàn)路中。當線(xiàn)路上的瞬態(tài)電壓超過(guò)電路的工作電壓并達到TVS二極管的工作電壓時(shí)，這時(shí)管子就開(kāi)始工作，當達到工作條件時(shí)發(fā)生雪崩，利用PN結的反向擊穿，瞬間將線(xiàn)路的靜電能量釋放導入大地（GND），使被保護的電路免遭靜電沖擊，防止超額電壓或電流燒毀電路器件。它采用層疊結構，具有極低的電容特性，可選擇 SOD882封裝（相當于0402），SOD523封裝（相當于0603）等封裝系列。?

TVS二極管優(yōu)點(diǎn)：?

（1）響應速度快，位電壓低；?

（2）因本身不承受靜電能量，所以抗沖擊次數較高。

TVS二極管缺點(diǎn)：?

(1) 單向性，實(shí)現雙向保護必須使用至少兩個(gè)PN結；

(2) 漏電流較大;

(3) 電容值較高，低電容值產(chǎn)品價(jià)格較高;

(4) 因本身不承受靜電能量，所以靜電能量釋放導入大地上之后，如果此大地做的不干凈，那么可能對局部電路還會(huì )產(chǎn)生影響。

3.2多層氧化鋅壓敏電阻

以陶瓷技術(shù)為代表的ESD靜電保護器件，如金屬氧化物壓敏電阻MOV，多層氧化鋅壓敏電阻MLV等。利用氧化鋅等壓敏材料的特性，實(shí)現對靜電的防護。

壓敏電阻是非線(xiàn)性的可變電阻。雖然它們相對來(lái)說(shuō)不貴，但壓敏電阻通常具有高觸發(fā)電壓、高筘位電壓和高阻抗特性，從而使得大多數能量會(huì )到達受保護的器件，而不是分流到地。典型的低電容壓敏電阻的箱位電壓范圍在150～500V。低電容壓敏電阻的典型動(dòng)態(tài)電阻是20～40Ω。由于其高阻抗特性，幾乎所有ESD沖擊電流都會(huì )傳逆到受保護器件，而不是分流到地。

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，因此它們屬于電壓箱位器件。

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(xiàn)路和雷電保護，到小型ESD表面貼裝固定等應用領(lǐng)域。然而，相對于它們的導電率來(lái)說(shuō)，它們電容較大，這意味著(zhù)它們在高速信號線(xiàn)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(huì )下降，即使遠低于單次應力導致的損壞等級。

多層壓敏電阻MLV基于氧化鋅的器件，可提供ESD靜電保護和低級別的電涌保護。多層壓敏電阻MLV它們的小形狀因子(尺寸已下降到0402和0201)使得它們非常適合于便攜式應用(如手機和數碼相機等)。

多層氧化鋅壓敏電阻優(yōu)點(diǎn)：

(1) 穩定；

(2) 無(wú)極性；

(3) 價(jià)格極低；

(4) 因本身承接靜電能量；所以流到大地上身能量減少很多。

多層氧化鋅壓敏電阻缺點(diǎn)：

(1) 籍位電壓較高；

(2) 漏電流較大；

(3) 電容值較高，低電容值產(chǎn)品價(jià)格較高；

(4) 因本身承接靜電能量，所以抗沖擊次數不高。

3.3聚合物ESD器件

以聚合物技術(shù)為代表的ESD靜電保護器件，以高分子為載體加入導電粒子、壓敏材料、絕緣粒子，從而構成一個(gè)壓敏體系，在電壓超過(guò)一定區間的范圍內，由非導體劇變?yōu)閷w，導電性隨電壓的升高而急劇增加，從而實(shí)現對靜電的防護。

聚合物器件是一種由高分子聚合物材料制成的新型固體靜電保護元件，內部菱形分子以規則離散狀排列，當靜電電壓超過(guò)該器件的觸發(fā)電壓時(shí)，內部分子迅速產(chǎn)生尖端對尖端的放電，將靜電在瞬間泄放到地。即幫助保護敏感的電子設備免受靜電放電而不會(huì )使數據信號失真。

聚合物ESD器件對高頻應用來(lái)說(shuō)相當有吸引力，它最大的特點(diǎn)就是它的電容值可以做到非常低，只有0.05～1.0pF,但這么低的電容也會(huì )帶來(lái)一些略微的副作用，與二極管不同的是，聚合物ESD器件要求端電壓達到觸發(fā)電壓時(shí)才擊穿，而這個(gè)觸發(fā)電壓要比筘位電壓高出許多。典型的聚合體ESD器件在500V之前是不會(huì )擊穿的。一旦擊穿后它就會(huì )迅速跳到最高達150V的筘位電壓，當電荷釋放掉后，聚合物將返回高阻狀態(tài)。不過(guò)這一過(guò)程可能要數小時(shí)甚至一天的時(shí)間，因此它們對消費類(lèi)應用來(lái)說(shuō)沒(méi)有吸引力。這些器件在制造中很難精確表征，其數據手冊通常只包含典型參數值，而不提供最小和最大保證值。另外由于它們在物理上是屬于柔性器件，因此它們的性能會(huì )隨著(zhù)遭受ESD脈沖數量的增加而下降。

聚合物ESD器件優(yōu)點(diǎn)：

(1) 無(wú)極性；

(2) 漏電流極??；

(3) 電容值極低，0.5pF以下。

聚合物ESD器件缺點(diǎn)：

（1）高分子材料，耐高溫、耐老化能力差；

（2）箱位電壓較高；

（3）抗沖擊次數不高。

3.4玻璃陶瓷二極管

玻璃陶瓷二極管GcDiode靜電抑制器利用具有非線(xiàn)性電阻特性的玻璃陶瓷兩相復合的材料體系，含有多種氧化物的陶瓷相和玻璃相，該材料體系在被施加低電壓時(shí)呈高電阻，在被施加高電壓時(shí)呈低電阻。玻璃陶瓷二極管以傳導為主吸收為輔的方式耗散能量，有效抑制性能劣化，具有絕佳的穩定性及可靠性。

玻璃陶瓷二極管具有快速響應和低箱位電壓功能，同時(shí)具有極低電容值(0.25pF),能夠有效降低由于保護器件本身的寄生電容而帶來(lái)的信號損失，非常適合使用在高速信號傳輸端口，另外還具有極低漏電流(<0.1nA)和高耐靜電沖擊能力等優(yōu)越性能，與其他的靜電保護器件相比，具有極佳的性?xún)r(jià)比。是高速數據傳輸端口靜電保護的最佳選擇，能有效降低使用普通靜電保護器帶來(lái)的信號失真。無(wú)極性，安裝簡(jiǎn)便，通用性強。

玻璃陶瓷二極管優(yōu)點(diǎn)：

(1)無(wú)極性；

(2)低箱位電壓與TVS相當；

(3)漏電流極低，納安級，相應速度快；

(4)低電容值：

(5)耐高溫、耐老化；

(6)抗沖擊次數高，高穩定性。

玻璃陶瓷二極管缺點(diǎn)：

觸發(fā)電壓稍高。

4 ESD靜電保護器件比較

TVS二極管、MLV壓敏電阻、玻璃陶瓷二極管與聚合物ESD靜電保護元件，其中前三種元件均采用電壓鉗位的方式進(jìn)行保護，帶導電粒子的聚合物ESD則是采用消弧(crowbar)保護策略。壓敏電阻、玻璃陶瓷二極管和聚合物ESD支持雙向的保護，TVS二極管可支持單向或雙向保護。

4.1 TVS二極管與壓敏電阻的區別

傳統的壓敏電阻雖然在成本上具有一定優(yōu)勢，但它存在的一個(gè)最大問(wèn)題是體積太大，無(wú)法滿(mǎn)足手持設備的封裝要求。事實(shí)上，與壓敏電阻相比，基于硅材料的TVS二極管具有更好的筘制性能、更低的泄漏和更長(cháng)的使用壽命。TVS二極管在多重應力下仍然可保持強大的性能，而壓敏電阻則會(huì )隨著(zhù)使用次數的增多性能下降。

TVS二極管技術(shù)利用的是半導體的籍位原理，在經(jīng)受瞬時(shí)高壓時(shí)，會(huì )立即將能量釋放出去，而壓敏電阻采用的是物理吸收原理，因此每經(jīng)過(guò)一次ESD事件，材料就會(huì )受到一定的物理?yè)p傷，形成無(wú)法恢復的漏電通道。

TVS二極管技術(shù)可以輕松釋放掉能量而不是直接與之對抗。這樣做的好處是器件不會(huì )受到損害，基本上沒(méi)有壽命限制。從TVS二極管與壓敏電阻的箱制電壓曲線(xiàn)來(lái)看，TVS二極管器件可以在極短時(shí)間內將輸入的大電壓鉗制到5V至6V的水平，而壓敏電阻的曲線(xiàn)則下降得非常緩慢，并且無(wú)法達到TVS二極管器件的效果。這表明TVS二極管器件在響應時(shí)間和箱制性能方面均優(yōu)于壓敏電阻。

4.2 TVS二極管與聚合物ESD的區別

TVS二極管由硅基材料，多個(gè)TVS晶?；蚨O管采用不同的布局設計成具有特定功能的單路或多路ESD靜電保護器件。工作原理先筘位高電壓然后泄放電到地。

TVS的特點(diǎn)：①TVS的電氣特性由P-N結面積，參雜濃度及晶片阻值決定的，其耐脈沖電流的能力與其P-N結面積成正比。②反應速度快(為ps級),體積小，箱位電壓低，可靠性高。③10/1000μs波脈沖功率從400～30000W,脈沖峰值電流從幾安～幾百安。④常用的TVS二極管的擊穿電壓有從5V到550V的系列值。且可靠性高，在TVS二極管規范之工作范圍內，性能可靠，不易劣化，使用壽命長(cháng)。

聚合物ESD是一種由高分子聚合物材料制成，內部菱形分子以規則離散狀排列，當靜電電壓超過(guò)該器件的觸發(fā)電壓時(shí)，內部分子迅速產(chǎn)生尖端對尖端的放電，將靜電在瞬間泄放到地。

聚合物ESD的特點(diǎn)：①具有優(yōu)異的靜電吸收能力，與齊納二極管響應時(shí)間達到同樣的水平，在靜電吸收中，可以保持電流—電壓對稱(chēng)特性。②采用層疊結構，具有極低電容特性，可選擇0402、0603封裝系列。③具有較好的安裝可靠性，支持無(wú)鉛焊接，電鍍，達到良好的焊接性，焊接耐熱性。④可替代齊納二極管+電容。實(shí)現既省空間，又可以降低安裝成本。⑤高分子聚合物在多重應力下仍然可保持強大的性能。

在通信技術(shù)以及高速傳輸得到迅猛發(fā)展的時(shí)候，工程師往往會(huì )發(fā)現，他們在選擇ESD保護器件的時(shí)候，沒(méi)有辦法從原有的TVS二極管或者壓敏電阻中找到足夠低的電容值，使它在電路中不會(huì )產(chǎn)生足夠大的寄生電容或者形成濾波器，以對通過(guò)的信號造成不干擾的狀況，在這種情況下產(chǎn)生了高分子聚合物的ESD保護器件，它最大的特點(diǎn)就是它的電容值可以做到非常低，可以做到0.1pF甚至

0.05pF以下，當時(shí)無(wú)論是壓敏電阻還是TVS二極管都無(wú)法實(shí)現1pF以下身電容值。

4.3 TVS二極管與玻璃陶瓷二極管的區別

TVS二極管通常采用PMGA加上環(huán)氧樹(shù)脂的材料封裝，是一個(gè)典型的主動(dòng)器件的工藝模式。玻璃陶瓷二極管是：①采用獨有的玻璃陶瓷材料加上具有專(zhuān)利的工藝制成所實(shí)現，與前者完全不一樣。②能量耗散，TVS二極管是以傳導為主，玻璃陶瓷二極管和TVS二極管一樣，是以傳導為主，吸收為輔。③箱位電壓控制，TVS二極管做得最好，玻璃陶瓷二極管在箱位電壓控制上已經(jīng)非常接近TVS二極管所能夠達到的低籍位電壓控制的能力。④漏流損耗，TVS二極管基本上以μA級為主，玻璃陶瓷二極管是nA級的產(chǎn)品，在耐受沖擊次數在數千次至萬(wàn)次以上，工作穩定性非常好，可靠性非常強。⑤方向性，TVS二極管是單通道的，玻璃陶瓷二極管是雙向的，使用上會(huì )更加便利和方便。

表1列出常見(jiàn)ESD保護元件分類(lèi)比較。

下面示出三個(gè)靜電電壓使用圖，可以看出不同的ESD靜電保護器件對于靜電信號的抑制和箱位電壓控制的對比。

圖1是高分子聚合物ESD和玻璃陶瓷二極管的對比，

從這個(gè)對比中可以看到高分子ESD保護器件它的箱位電壓相對而言控制得比較高。

圖2是壓敏電阻MLV和玻璃陶瓷二極管的對比，可以看到壓敏電阻的箱位電壓控制得也是相對偏高的。

圖3是玻璃陶瓷二極管和TVS二極管的對比，可以看到TVS二極管的箱位電壓控制確實(shí)最好，玻璃陶瓷二極管已經(jīng)非常接近它的箱位電壓控制。

表1常見(jiàn)ESD保護元件分類(lèi)比較

圖1是高分子聚合物ESD和玻璃陶瓷二極管的對比

圖2壓敏電阻MLV和玻璃陶瓷二極管籍位電壓控制的對比

圖3玻璃陶瓷二極管和TVS二極管箱位電壓控制的對比

5 ESD靜電保護器件應用

(1) USB 2.0

USB2.0是一種被廣泛應用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)，實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)的通信。USB電纜有4條線(xiàn)，2條信號線(xiàn)，2條電源線(xiàn)，可提供5V電壓500mA電流，480Mbit/s的傳輸速率。

(2) Audio

在音頻數據線(xiàn)路保護方面，由于音頻回路的信號速率比較低，對器件的要求不太高，100pF左右都是可以接受的。

(3)SIM/Memory Card

目前SIM卡的傳輸速率大約在480kbit/s,理論上是可達5Mbit/s的速率，記憶卡的傳輸速率一般在20Mbit/s的速率，對C,的選擇一般20pF以下就可以，對高速記憶卡，速率可達200Mbit/s的，要求C,小于5pF以下。

(4) HDMI

HDMI:(High Definition Multimedia Interface),意思是高清晰度多媒體接口，首個(gè)也是業(yè)界唯一支持的不壓縮全數字的音頻/視頻接口，HDMI1.3傳輸速度10.2Gbps,C要求小于1pF。

(5) DVI

DVI:(Digital Visual Interface),即數字視頻接口，每組信道的傳輸碼流最高可達1.65Gbps,需選擇C小的保護器件。

(6) 10/100 Etherent

10/100 Etherent即10M/100M的以太網(wǎng)，采用TVS/ESD材料保證以太網(wǎng)物理層根據傳輸的速率來(lái)選擇相應的G的材料。