芯片防护之TVS器件选型攻略

本文将为您解读以下内容：

• 同样是3.3V 的端口，为何需要使用不同的防护器件，具体如何选型？
• 高速、低速和浪涌防护，防护器件选型时需注意什么？

随着各种便携式，可穿戴式概念的普及，电子设备正朝着轻薄短小化发展，而其板间的各种芯片也在经历着小线宽，低功耗方向的升级。在我们迎接芯片升级给我们带来的美好同时，孰不知危险悄然来临。小线宽芯片意味着在同等静电条件下比大线宽的更容易损坏，而低压低功耗又意味着在同等的电磁环境下，它所受到干扰或损坏的概率大大提升。基于此，Semtech率先完成了低压保护器件的产业布局和升级，解决了业内在系统级电路保护上的头等难题。今天给大家介绍的系列产品是我们在低压应用中最常用的3.3V TVS。
                                                                             
TVS发展趋势
                                                                          

普通低速信号防护

一般容值下的3.3VTVS应用非常广泛，相信我们工程师朋友对它也并不陌生，但是所有的3.3V TVS都是一样的吗？首先我们来看一下3.3V普容系列参数列表：
                        

这里我们例举了Semtech 三代TVS产品，除工作电压都是3.3V的外，其他的参数或多或少都有些差异，这也告诉了我们，同样是3.3V的TVS，它们参数是不一样的。

如果是用于普通低速信号的ESD防护，这三颗TVS都能满足要求吗？我们应该如何选型呢？

ESD的钳位电压
      
大家都知道，在ESD测试中，TVS作为过压保护器件，它最关键的参数就是ESD钳位电压，钳位电压的大小直接关系到后级芯片安全与否。TVS的ESD钳位主要有两个关键指标，1ns和30ns的残压。1ns的尖峰残压会对芯片造成累积击穿，使得芯片性能下降甚至是失效，且在测试中不易被发现；而30ns的残压代表着ESD的平均能量，它对于芯片内部造成的冲击会更大。所以我们在设计选型的时候一定要仔细对比这2个关键点。

                                                           
在这里我们对比了Semtech三代产品和业内某一市占率较高的3.3V TVS，从中我们就能发现，它们之间的残压会有很大的不同，所以保护效果也会有很大的区别。总的来说，ESD钳位电压的意义在于，要小于被保护芯片最大承受的电压，且留有一定的余量，这样的TVS才是一个好的TVS。而当我们不知道芯片的承压数据时，选择在同一ESD等级下1ns和30ns残压更低的TVS保护效果会更好。那是否有办法去量化ESD的测试呢？

ESD的平均能量——TLP比较
                                  
使用传统的静电枪设备做ESD测试或系统ESD方案评估时，很难做到量化测试的要求。基于此，我们可以采用先进的TLP设备，即ESD的平均能量的模型，来做到量化ESD测试的目的。对比静电枪，TLP可以精确捕捉到芯片的破坏点和TVS在不同ESD能量下的钳位电压。TLP与IEC标准之间有一个简单的对应关系，即每2A的TLP电流对应1KV的静电枪能量。所以我们只要知道了芯片的破坏点在哪里，再按照我们产品的标准，选择一款在此标准条件下，钳位电压低于芯片破坏点电压的TVS，系统就能顺利通过产品的标准测试。

                                         

高速信号防护

除了普通的低速应用，我们还会碰到很多高速的应用，不管对于高速还是低速的应用，都喜欢用低容值的TVS，这种做法合适吗？下面来一起看下我们低容系列TVS。
               

同样，在这里我们例举了Semtech三代低容值TVS。可以看到，它们的工作电压都是3.3V，但其他一些参数也都或多或少有些差异，除了我们前面知道的ESD钳位电压的要求外，那么对于传输速率在MHz以上的高速应用，我们还要关注哪些参数呢？

对于高速应用的TVS，除了静电或浪涌的测试要求外，我们还得考虑高速信号的完整性，即TVS的插损不能太大，且不能对高速信号产生反射。

        

以上面这三颗芯片为例，不同结电容下的TVS，会对我们的高速信号产生一定的插入损耗，按行业标准而言，插损不能超过-3dB。故我们通过IL曲线找到-3dB对应的频率，即为该TVS的最大带宽值。另外，TVS是否会对高速信号产生反射干扰，我们可以通过具体应用下的眼图测试来找到答案，这里就不再举例说明了。

总的来说，只要TVS的结电容满足信号完整性的要求，没有必要选择更低结电容的TVS，一方面会牺牲TVS的钳位，另一方面也会增加不必要的成本。

大浪涌防护

在一些情况下，系统除了有ESD测试要求外，浪涌也是一个必不可少的测试项，那么我们该如何选型浪涌TVS呢？

下面是我们浪涌系列TVS：
           

我们在这里例举了Semtech三代不同的TVS，同样是3.3V工作电压的情况下，对于浪涌测试，我们需要关注哪些参数呢？

大浪涌防护类型
                                             
                                             

浪涌测试和静电测试类似，最关键的是保护器件的钳位电压。TVS在浪涌下的钳位会随着外部浪涌电压或浪涌电流的变化而变化。一般而言，TVS的Vc会随着外部能量的增大而增大。我们在对系统做浪涌防护的时候，需要注意的是，TVS单体IPP能满足浪涌测试要求的同时，其浪涌钳位电压也要满足小于它所保护的后级芯片的最大承受电压。这样才能保证TVS和后级芯片都不会被浪涌能量给破坏。

值得一提的是，Semtech全新一代3.3V，0402封装TVS，其IPP能达到80A以上，并且钳位能保持在6V以内，可以说是目前市面上性能最好的方案。

总结

• 我们通过对3.3V TVS的分析，了解到在不同应用或测试要求下，我们需要用到不同类型的TVS来对系统做防护。

• 高速应用需优先考虑高速信号的完整性。

• 不管对于ESD测试还是浪涌测试来说，残压满足要求的TVS，对于系统来说才是一个好的TVS。

• TLP设备能真正意义上帮我们做到量化ESD测试。