贴片压敏电阻/陶瓷瞬时电压抑制器

静电对策中,积层贴片压敏电阻与积层贴片电容器的比较

利用积层贴片陶瓷片式电容器采取静电对策

作为设备的静电对策,使用保护器件。为了保护IC、电子器件,保护器件被设置在电路上,保护IC、周边电子器件,使其免遭从开关、耳机插孔等侵入的静电的损坏。保护器件被分为4大类,可以举出齐纳二极管(TVS二极管)、积层贴片压敏电阻、ESD抑制器、积层贴片陶瓷片式电容器。当被插入的电容量没有限制时,多使用积层贴片陶瓷片式电容器。
电容量越大积层贴片陶瓷片式电容器的静电吸收能力越强,因此选择电容量更大的器件。然而,如果因终端用户的设计变更切换为通信速度更快的IC等,受大的电容量的影响,信号有时会失真(图1)。为了改善这种情况,替换为电容量小的积层贴片陶瓷片式电容器时,静电对策可能变得不充分。此时,必须选择积层贴片陶瓷片式电容器以外的保护器件。
本资料说明各种保护器件的特征、积层贴片陶瓷片式电容器与积层贴片压敏电阻的静电吸收能力的不同。

通信速度:Low
通信速度:High

图1 通信速度的不同引起信号失真 通信速度:Low/High图1 通信速度的不同引起信号失真

ESD对策上使用的各种保护器件的特征

为了保护半导体元件、电路,使其免遭ESD等的浪涌电流的损坏,使用积层贴片陶瓷片式电容器、ESD抑制器、TVS二极管、积层贴片压敏电阻等保护器件。以下总结了这些特征(表1)。

表1 各种保护器件的特征
型号 L×W尺寸 电容量(pF) 特征
1以下 1~50 50~100 100以上
积层贴片压敏电阻 0.4mm x 0.2mm
[EIA01005] 以上
 
  • 支持0.4mm x 0.2mm [EIA 01005],电容量范围大。
  • 施加电压使元件的内部电阻发生变化(非线性特性),抑制ESD。
  • 元件的内部电阻相对ESD减小,旁通到GND。
TVS二极管 0.6mm x 0.3mm
[EIA0201] 以上
 
  • 底面端子/侧面端子
  • 因施加电压发生端子的内部电阻发生变化(非线性特性)。
  • 元件的内部电阻相对ESD减小,旁通到GND。
ESD抑制器 0.6mm x 0.3mm
[EIA0201] 以上
     
  • 小静电容量:0.05pF
  • 如果施加电压超过元件的触发电压,在元件内部间隙放电,抑制ESD。
积层贴片陶瓷片式电容器(抗静电用) 1.6mm x 0.8mm
[EIA0603] 以上
     
  • 电容量范围大。
  • 向电容量冲入ESD放电电流。
a. 无保护器件图2 将各种ESD保护元件嵌入电路时的ESD波形(ESD吸收波形) a. 无保护器件
d. TVS二极管图2 将各种ESD保护元件嵌入电路时的ESD波形(ESD吸收波形) d. TVS二极管
b. ESD抑制器图2 将各种ESD保护元件嵌入电路时的ESD波形(ESD吸收波形) b. ESD抑制器
e. 积层贴片压敏电阻(AVR-M0603型号)图2 将各种ESD保护元件嵌入电路时的ESD波形(ESD吸收波形) e. 积层贴片压敏电阻(AVR-M0603型号)
c. 积层贴片陶瓷片式电容器(0.1μF)图2 将各种ESD保护元件嵌入电路时的ESD波形(ESD吸收波形) c. 积层贴片陶瓷片式电容器(0.1μF)
图2 将各种ESD保护元件嵌入电路时的ESD波形(ESD吸收波形)
图2 将各种ESD保护元件嵌入电路时的ESD波形(ESD吸收波形)

图2表示使用了各种保护器件时的ESD吸收波形。依据IEC61000-4-2,使用HBM(Human Body Model:人体模型)发生ESD波形,评价了利用保护器件吸收静电的能力。横坐标表示时间(ns),纵坐标表示电压(V)。认为电压是静电发生时施加在IC上的电压,可以说电压值越小,保护静电损坏的能力越强。

  • 没有保护器件时(ESD模拟器充电电压8kV、150pF/330Ω、接触放电),呈急剧产生初期峰值电压上升后,电压值慢慢下降的脉冲浪涌波形,峰值电压(Vpeak)甚至达到1,500V,30ns至100ns的平均电压(Vave)也为400V的水平。
  • ESD抑制器是在升高施加电压时,在某一电压短路电流急剧流出型号的保护元件,将该电压叫做触发电压。ESD抑制器可将Vave抑制到29V,但因为触发电压的关系,Vpeak只能抑制到500V左右。
  • 电容量成分充入ESD的放点电荷,积层贴片陶瓷片式电容器抑制电压。为此,电容量越大,ESD抑制能力越强。虽然可将Vpeak抑制到大约23V,但其后为了放出充入的电荷,几百纳秒后发生大的电压峰值。
  • TVS二极管是从齐纳二极管(稳压二极管)派生出的ESD对策用保护器件,也被称作瞬态电压抑制器。ESD吸收波形无论Vpeak还是Vave都低,表现出优越的特性。
  • 积层贴片压敏电阻也与TVS二极管一样,表现出Vpeak和Vave都低的特性。除此之外,由于积层贴片压敏电阻具有电容量成分,在Vpeak的抑制上比TVS二极管更有利。但是,由于积层贴片压敏电阻具有电容量越大ESD抑制效果也越大的趋势,在不能设置过大电容量的高速信号电路上,TVS二极管表现出更优越的特性。

另外,图3表示每个应用的最佳保护器件图。横坐标表示信号速度,纵坐标表示静电吸收性能。另外,在下方表示每个规格的通信速度。可在曲线上选择每个规格的最佳保护器件。在1Mbps以下的信号线路上,可使用积层贴片陶瓷片式电容器。想在速度更高的信号线路上使用时,贴片压敏电阻、TVS二极管、ESD抑制器等适合。如Fig3所示,TDK的贴片压敏电阻有AVRM系列和AVRL系列。AVRM系列具有大电容量、强静电吸收能力的特征,在大约10kbps~100Mbps的信号线路上,实现了强的静电吸收。另一方面,AVRL系列具有小电容量的特征,在更高频率的大约50Mbps~大约1Gbps上,表现出比ESD抑制器更强的静电吸收能力。
贴片保护器具有小电容量、强静电吸收能力的特征,适合于TVS二极管的置换。在大约10Mbps~1Gbps上,ESD抑制器自不在话下,表现出比AVRL系列更强的静电吸收能力。

图3 每个应用的最佳保护器件图
图3 每个应用的最佳保护器件图

贴片压敏电阻拥有AVRM/AVR-M系列、AVRL系列以及AVRH系列。
AVRM/AVR-M系列拥有高静电容量以及高静电吸收能力的特点。在10kbps~10Mbps的通信线中可实现较高的静电吸收效果。

AVRL系列拥有低静电容量的特点。为此,在更快的50Mbps~1Gbps通信线中拥有比ESD抑制器更高的静电吸收能力。

AVRH系列是以EIA0402(1005mm)尺寸以下的AEC-Q200为准的车载用贴片压敏电阻。

片式保护器拥有低静电容量及高静电吸收能力的特点,适用于替换TVS二极管。
在50Mbps~500Mbps的通信线中,其静电吸收能力不仅优于ESD抑制器,同时也优于AVRL系列产品。

此外,相比拥有专业高静电吸收能力的片式电容器CGA3EA系列更适合作为1Mbps以下较低通信线的静电保护对策。

电容量的不同导致ESD吸收波形不同

积层贴片陶瓷片式电容器因为电容量的大小,静电吸收能力变化大。随着电容量的增大,静电吸收能力增强。图4表示贴片电容器的各个电容量的ESD吸收波形。

图4 积层贴片陶瓷片式电容器的各个电容量的ESD吸收波形[无器件]
图4 积层贴片陶瓷片式电容器的各个电容量的ESD吸收波形[MLCC 100pF]
图4 积层贴片陶瓷片式电容器的各个电容量的ESD吸收波形[MLCC 1000pF]
图4 积层贴片陶瓷片式电容器的各个电容量的ESD吸收波形[MLCC 10nF]
图4 积层贴片陶瓷片式电容器的各个电容量的ESD吸收波形[MLCC 100nF]
图4 积层贴片陶瓷片式电容器的各个电容量的ESD吸收波形
图4 积层贴片陶瓷片式电容器的各个电容量的ESD吸收波形

依据IEC61000-4-2,使用HBM(Human Body Model:人体模型)发生4kV的ESD波形,评价了利用保护器件吸收静电的能力。横坐标表示时间(ns),纵坐标表示电压(V)。在100pF的积层贴片陶瓷片式电容器上,Peak电压为662V。1000pF为350V,10nF为155V,100nF为10V。虽然在100nF表现出非常强的静电吸收能力,但在电源线路以外的通信线路上使信号失真,很多时候不能使用。另一方面,如果在100pF减小电容量,从通信速度的观点来看,能够在Audio、Video线路上使用,但几乎没有静电吸收能力。为此,在电源线路以外采取静电对策时,需要选择积层贴片陶瓷片式电容器以外的保护器件。

具有相同电容量的积层贴片陶瓷片式电容器与积层贴片压敏电阻的静电吸收能力

图5表示具有相同电容量的积层贴片陶瓷片式电容器与积层贴片压敏电阻的ESD吸收波形。这里的曲线也与上述曲线一样,依据IEC61000-4-2,使用HBM(Human Body Model:人体模型)发生4kV的ESD波形,评价了利用保护器件吸收静电的能力。

图5 具有相同电容量的积层贴片陶瓷片式电容器与积层贴片压敏电阻的ESD吸收波形[MLCC 100pF]
图5 具有相同电容量的积层贴片陶瓷片式电容器与积层贴片压敏电阻的ESD吸收波形[AVRM0603C6R8NT101N]
图5 具有相同电容量的积层贴片陶瓷片式电容器与积层贴片压敏电阻的ESD吸收波形

积层贴片陶瓷片式电容器的峰值电压为662V,而积层贴片压敏电阻为37V,数值非常小。如前所述,在积层贴片压敏电阻被施加静电时,电能聚集在元件内部。为此,为了获得强的静电吸收能力,需要大的电容量。另一方面,积层贴片压敏电阻在施加过电压时,具有元件自身的电阻下降的特性,因此需要大的电容量。在电容量相同的情况下,积层贴片压敏电阻与积层贴片陶瓷片式电容器相比,具有非常强的静电保护能力,因此在因为电容量受限,不能使用贴片电容器时,最好选择贴片压敏电阻。

积层贴片压敏电阻的选择要点

概括说明选择用于静电对策的积层贴片压敏电阻时的关键点。最重视的点是使设备的ESD耐量增加。尽可能选择压敏电阻电压低的产品,可获得优越的静电吸收能力,但需要结合应该保护的电路的电压值,选择最佳的值。另外,要是压敏电阻电压相同,电容量越大,静电吸收能力、静电耐久性越会提高。但是,与贴片电容器一样,电容量越大,信号质量越差,因此在不影响信号的范围内,尽可能选择电容量大的产品。表2表示TDK贴片压敏电阻的产品阵容。

表2 TDK贴片压敏电阻的产品阵容
系列 L×W尺寸 最大允许电路电压
[DC](V)
压敏电阻电压
[@1mA](V)
电容量
(pF)
支持通信速度
AVRM系列 0.4 x 0.2~2.0 x 1.2mm
[EIA01005~EIA0805]
3.5~28 6.8~39 15~1050 10kbps~100Mbps
AVRL系列 0.4 x 0.2~1.6 x 0.8mm
[EIA01005~EIA0805]
10~25 27~90 0.5~6.8 50Mbps~1Gbps
SGNE系列 0.4 x 0.2~0.6 x 0.3mm
[EIA01005~EIA0201]
4.3~15 8~27 6.8~15 50Mbps~500Mbps