体积更小、性能更高的 TVS 二极管可提供更强的保护能力

作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-05-22

在制造或最终使用电子产品过程中，静电放电 (ESD) 或电涌可能会导致电子产品损坏或发生故障。据估计，在所有元器件故障中，ESD 导致的故障占比介于个位数到三分之一之间，而电路密度的增加和更高的性能要求又加剧了这一问题。

从消费电子设备到昂贵的工业设备，都可能受到危险瞬态电压事件（如 ESD）的影响。由于越来越多的产品依赖于易受此类事件影响的微处理器，因此为了确保客户满意并取得商业成功，就必须选择合适的 ESD 解决方案。

当电子在材料表面重新分布时，会产生电荷不平衡现象。当产生的电场足够强时，静电荷就会寻求平衡并产生静电放电。这对可能会对基于微电子的电子产品造成灾难性影响，进而导致故障、产品延期、收入损失，有时甚至会损害声誉或品牌形象。

即使在洁净的集成电路制造环境中，元器件也可能在加工、装配、测试和包装过程中受到 ESD 的影响。人体模型 (HBM) 是应用最广泛的测试标准，用于确保集成电路能够承受带电人体（典型 ESD 产生者）接触集成电路时产生的静电电荷的影响。

IEC 61000-4-2 是一项国际 ESD 测试标准，其采用人体模型，以更高的系统级硬件基准，确保设备能够在最终用户的实际使用中承受瞬态事件的影响（包括雷击保护）。

瞬态电压抑制

随着集成电路几何尺寸的不断缩小，传统的 ESD 参数已不足以应对系统级风险。为了保护电源和高速数据电路，设计人员必须利用瞬态电压抑制 (TVS) 技术的进步，在 HBM 和设备内置 ESD 保护措施之外，提供额外的保护。

对于带 HDMI、Thunderbolt、USB 2、USB 3、USB-C、天线以及其他标准接口的设备而言，TVS 在保护常用数据线免受 ESD 影响方面日益重要。从可穿戴设备和键盘到智能手机和物联网摄像头，要使这些成品免遭 ESD 损坏，需要采取强有力的保护措施。

TVS 二极管可安装在电源线或数据线上，通过将浪涌从其保护的电路中引开，防止瞬态事件的发生。在瞬态事件中，受保护线路上的电压会迅速升高，最高可达数万伏。在正常工作条件下，TVS 二极管呈断开状态，但它能在不到一纳秒的时间内抑制系统级 ESD 峰值，分流大电流。

选择 TVS 解决方案时应考虑的一些关键特征包括：

• 电容 (C) - 储存电荷的固有能力
• 反向断态电压 (V RWM ) - 电路在不激活 TVS 二极管的情况下的最大工作电压
• 钳位电压 (V C ) - TVS 开始从受保护电路中分流多余电流的电压水平（低于 V RWM ）
• 反向击穿电压 (VBR) - TVS 进入低阻抗模式时的电压
• 峰值脉冲电流 (I PP ) - TVS 在损坏前可承受的最大电流
• 峰值脉冲功率 (P PP ) - 事件发生时 TVS 耗散的瞬时功率

TVS 封装考量因素

TVS 二极管的位置会影响其性能，靠近 ESD 进入点的位置可提供更好的保护。在保护现代系统中的精密电子元件免受 ESD 威胁方面，半导体封装也发挥着重要作用。

设计人员在为产品选择 TVS 二极管时，应重点考虑所需的特定浪涌保护级别、需要保护的线路数量，以及适合可用电路板空间的封装尺寸。

引线式集成电路封装是 TVS 二极管的常见选择，因为这种封装易于安装在印刷电路板 (PCB) 上，因此成本效益较高。除此之外，这种封装还能提供出色的散热效果。不过，由于其尺寸较大，可能会占据大量的印刷电路板空间，而且往往会产生寄生效应，对性能产生不利影响。

幸运的是，DFN（双通道扁平无引线）封装尺寸小、功能多，可能更适合 ESD 保护。DFN 封装没有延长引线，其触点位于元器件下方，而不是沿着元器件周边分布，因此与引线式表面贴装器件 (SMD) 封装相比，可节省空间。

DFN 封装在底部集成了一个可与印刷电路板无缝结合的裸露式导热垫，起到集成散热器的作用，因此这种封装能够提供出色的散热性能。与引线式 SMD 封装相比，这种封装还具有更少的寄生元件，因此有助于在高速应用中保持信号完整性。

不过，DFN 封装在印刷电路板上的焊点可见度有限，这使得在封装后的装配过程中难以确认焊接是否正确。

克 DFN 挑战

[Semtech](通过将 TVS 二极管安装于采用倒装片封装和侧面可湿性侧翼的 DFN 模块克服 DFN 挑战（图 1）。

图 1：Semtech DFN 封装的典型图片，采用侧面可湿性侧翼来安装 TVS 二极管。（图片来源：Semtech）

倒装片封装利用焊料凸块而不是焊线键合来实现与基板的连接。侧面可湿性侧翼可确保焊料从封装底部扩散，沿壁侧向上流动，形成可见的焊料连接。

借助这项技术，自动化视觉检测 (AVI) 系统就能通过目视检查侧翼垂直面与焊盘之间形成的焊料凸点，验证印刷电路板是否正确接合，从而确保连接可靠。

采用侧面可湿性侧翼不仅可增强可靠性、提高产出率，而且还可抵御可能会造成分离的振动和晃动。铜端子上覆有镀锡层，防止铜随着时间的推移而氧化。

Semtech 采用倒装片封装和侧面可湿性侧翼技术，推出了一系列 0402 尺寸 (1.0 mm x 0.6 mm x 0.55 mm) 的 DFN 封装单路 TVS 二极管，这些二极管专为非汽车工业应用而打造。

0402 DFN TVS 元器件旨在为射频和调频天线、触摸屏控制器、12 VDC 线路、侧键和键盘、音频接口、物联网设备、便携式仪器仪表、通用输入输出 (GPIO) 线路和工业设备等提供 ESD 保护。

Semtech 设备可为以下产品提供 ESD 保护：

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• 高速信号线上的 USB Type-C® 连接器
• 配置通道 (CC) 和边带使用 (SBU) 线路（用于通过 USB Type-C 电缆连接来协商功率、数据和备用模式）
• VBus 线路
• D+/D- 数据线（用于传输 USB 和其他遗留协议的差分信号）

Semtech 的单通道、数据线和 VBUS ESD 保护解决方案，采用侧面可湿性侧翼封装，提供 [RClamp 和 μClamp ESD 保护器件]。这些解决方案提供电路板级保护，具有较低的工作电压和箝位电压，较快的响应时间，并且不会造成器件性能下降。

RClamp (RailClamp) 产品包括：

• [RCLAMP01811PW.C]：适用于智能手机、笔记本电脑和配件等空间受限的应用，为设计人员保护单条线路提供了灵活性。该产品能承受 ±30 kV 接触放电电压和 ±30 kV 空气放电电压，符合 IEC 61000-4-2 标准，并且具有 1.2 pF（最大值）的低电容。其能保护单条线路，工作电压为 1.8 V，VR = 1.8 V 时反向漏电流较小，仅为 100 nA（最大值）。
• [RCLAMP04041PW.C]：用于在无法实现阵列的应用中保护单条线路，例如采用 USB 2.0、MIPI/MDDI、MHL 和可穿戴设备的便携式应用。工作电压为 4.0 V，电容值低至 0.65 pF（最大值），可为高速线路提供符合 IEC 61000-4-2 标准的 ±30 kV 接触和空气放电 ESD 保护和符合 IEC 61000-4-5（雷击）标准的 20 A (tp = 8/20 µs) ESD 保护。
• [RCLAMP2261PW.C]：工作电压为 22 V 的单路 TVS，浪涌电流为 18 A (tp = 8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 标准，耐受 ±25 kV 接触放电和 ±30 kV 空气放电电压，符合 IEC 61000-4-2 标准。典型应用包括 USB Type-C、近场通信 (NFC) 线路、射频和调频天线以及物联网设备。

超小型 μClamp (MicroClamp) 产品系列包括：

• [UCLAMP5031PW.C]：工作电压为 5 V 的单路 TVS，耐受 ±30 kV 接触放电电压和 ±30 kV 空气放电电压，符合 IEC 61000-4-2 标准。设计人员可将其用于工业设备、便携式仪器仪表、笔记本电脑、手机、键盘以及音频接口。
• [UCLAMP1291PW.C]：工作电压为 12 V 的单路 TVS，具有低典型动态电阻、低峰值 ESD 箝位电压，以及 ±30 kV 接触和空气放电高 ESD 耐受电压，符合 IEC 61000-4-2 标准。适用的应用包括蜂窝手机和配件、笔记本电脑和手持设备，以及便携式仪器仪表。
• [UCLAMP2011PW.C]：单路 20 V TVS，抗雷电浪涌能力高，达 3 A (t p =8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 标准。典型应用包括外设、便携式设备和仪器仪表。
• [UCLAMP2411PW.C]：24 V 单路 TVS，适用于各种应用，包括 24 VDC 电源轨、玻璃基板片式驱动器 IC 数据线、外设以及便携式设备。其浪涌电流为 3 A (tp = 8/20 μs)，符合 IEC 61000-4-5 标准。

结语

电子产品的电路密度和性能要求越来越高，因此必须采用新方法来防止静电放电和其他电压浪涌。Semtech 的新型封装使得瞬态电压抑制二极管的体积更小，为产品设计人员提供了更大的灵活性、更高的浪涌电流能力和更低的箝位电压，是保护敏感电子元件的理想之选。

审核编辑 黄宇