电路保护设计方案选择及常用器件对比

伴随着半导体技术的高速发展和集成电路的广泛应用，各种电子设备不断朝着尺寸小型化、功能多样化和高度集成化方向发展。手机作为便携式电子产品，对尺寸的要求更苛刻，而随着3G 时代来临，未来的手机功能会更强大，各种功能模块的集成度会更高，这些都使各类芯片耐受过电压的能力下降，从而对手机的过电压、静电释放(ESD) 等防护电路提出了更高的要求。

根据IEC61000-4-2 标准，各类电子器件的最低耐压标准为2kV，但一些半导体器件以及芯片受工艺线径等因素影响，耐压有可能小于2kV ，而ESD 可能达8kV 甚至更高，因此有必要对手机进行专门的过电压和ESD防护。

电路防护设计时的方案选择

1. 分级防护

过电压能量通过传导耦合和辐射耦合来传播，线路中过电压是随机产生的，必须对其能量进行减弱吸收，才能避免对线路产生功能性损坏。这需要对线路进行功能模块划分，对每一模块进行逐级过电压抑制及能量吸收，才能有效达到过电压防护目的。

例如在计算机的千兆网口部位，容易受到雷电感应过电压影响，如果在此部位不做保护则很容易损坏网卡。因为能量很大，如果只用小容量压敏电阻防护起不 到很好的防护效果，这时候可以采用分级防护的方案，在变压器的初级采用放电管进行初级保护，在网卡芯片部位采用小容量的压敏防护，这样既不会影响到线路传 输速率，也可以有效防止雷击。

2. 增大被保护器件的内阻

大部分过电压防护器件在起作用时，会将过电流泄放到实地上，这时候防护器件的电阻非常小。被保护器件两端的电压被压敏电阻抑制至100V以下，远低于2KV(参考ESD耐压)，但在IC内阻比较小的情况下，通过IC的脉冲电流会很大，需要从几个方面调整：

a. 调整线路布线结构，减小通过IC的脉冲电流回路面积、增大回路阻抗。脉冲回路可以看成感应圈，当其他电路有脉冲电流通过时，会在此回路产生过电压和脉冲电流，减小过电压和脉冲电流影响的有效方法是减小通过IC的脉冲电流回路面积。

b. 通过型号选择，降低压敏电阻瞬态内阻根据不同线路的传输速率，等效内阻等方面的差异，选择恰当的器件是取得良好的防护效果的重要步骤。

c. 与IC串联磁珠、电容或电阻，增加其回路阻抗。在线路传输信号许可条件下，可采用串联磁珠、电容或电阻Z的方法，提高回路阻抗，改善压敏电阻的过电压防护 效果。该方案能够减小通过IC的脉冲电流，有一定设计裕度，可避免因元件更换、PCB板和布线差异等而可能引起的过电压防护不良问题。

3. 防护器件放置位置和接地设计过电压防护器件最好靠近过电压源放置，例如各个接口、天线、电源等部位。当过电压产生源不明确，或者需要保护特定的芯片时，将防护器件靠近被保护器件放置。很多防护器件需要良好的接地设计才能将脉冲电流能量迅速泄放到接地上，所以防护器件与地的距离尽量要小，同时线径要大。

手机ESD防护方案使用器件对比

目前手机过电压ESD防护方案中用到的器件主要有：采用氧化锌陶瓷材料制作的压敏电阻MLV；基于半导体技术的ESD抑制器件如TVS二极管以及其他防护IC；基于高分子聚合物技术的聚合物ESD元件。

TVS管的突出优点是限制电压比较低，最低可以达到10伏以下，这在过电压保护中起到良好的抑制过电压作用，不足之处是不能吸收过电压能量。而聚合物ESD压敏电阻得益于材料和结构，电容量最小可做到0.05pF以下，可应用于超高速线路，例如USB3.0、HDMI1.4等，不足之处是导通电压很高、不能吸收能量。