【導讀】伴隨著半導體技術的高速發(fā)展和集成電路的廣泛應用，各種電子設備不斷朝著尺寸小型化、功能多樣化和高度集成化方向發(fā)展。手機作為便攜式電子產(chǎn)品，對尺寸的要求更苛刻，而隨著3G 時代來臨，未來的手機功能會更強大，各種功能模塊的集成度會更高，這些都使各類芯片耐受過電壓的能力下降，從而對手機的過電壓、靜電釋放(ESD) 等防護電路提出了更高的要求。
根據(jù)IEC61000-4-2 標準，各類電子器件的最低耐壓標準為2kV， 但一些半導體器件以及芯片受工藝線徑等因素影響，耐壓有可能小于2kV ，而ESD 可能達8kV 甚至更高，因此有必要對手機進行專門的過電壓和ESD 防護。
電路防護設計時的方案選擇
1. 分級防護
過電壓能量通過傳導耦合和輻射耦合來傳播，線路中過電壓是隨機產(chǎn)生的，必須對其能量進行減弱吸收，才能避免對線路產(chǎn)生功能性損壞。這需要對線路進行功能模塊劃分，對每一模塊進行逐級過電壓抑制及能量吸收，才能有效達到過電壓防護目的。
例如在計算機的千兆網(wǎng)口部位，容易受到雷電感應過電壓影響，如果在此部位不做保護則很容易損壞網(wǎng)卡。因為能量很大，如果只用小容量壓敏電阻防護起不 到很好的防護效果，這時候可以采用分級防護的方案，在變壓器的初級采用放電管進行初級保護，在網(wǎng)卡芯片部位采用小容量的壓敏防護，這樣既不會影響到線路傳 輸速率，也可以有效防止雷擊。
2. 增大被保護器件的內(nèi)阻
大部分過電壓防護器件在起作用時，會將過電流泄放到實地上，這時候防護器件的電阻非常小。被保護器件兩端的電壓被壓敏電阻抑制至100V以下，遠低于2KV(參考ESD耐壓)，但在IC內(nèi)阻比較小的情況下，通過IC的脈沖電流會很大，需要從幾個方面調(diào)整：
a. 調(diào)整線路布線結構，減小通過IC的脈沖電流回路面積、增大回路阻抗。脈沖回路可以看成感應圈，當其他電路有脈沖電流通過時，會在此回路產(chǎn)生過電壓和脈沖電流，減小過電壓和脈沖電流影響的有效方法是減小通過IC的脈沖電流回路面積。
b. 通過型號選擇，降低壓敏電阻瞬態(tài)內(nèi)阻根據(jù)不同線路的傳輸速率，等效內(nèi)阻等方面的差異，選擇恰當?shù)钠骷侨〉昧己玫姆雷o效果的重要步驟。
c. 與IC串聯(lián)磁珠、電容或電阻，增加其回路阻抗。在線路傳輸信號許可條件下，可采用串聯(lián)磁珠、電容或電阻Z的方法，提高回路阻抗，改善壓敏電阻的過電壓防護 效果。該方案能夠減小通過IC的脈沖電流，有一定設計裕度，可避免因元件更換、PCB板和布線差異等而可能引起的過電壓防護不良問題。
3. 防護器件放置位置和接地設計過電壓防護器件最好靠近過電壓源放置，例如各個接口、天線、電源等部位。當過電壓產(chǎn)生源不明確，或者需要保護特定的芯片時，將防護器件靠近被保護器件放置。很多防護器件需要良好的接地設計才能將脈沖電流能量迅速泄放到接地上，所以防護器件與地的距離盡量要小，同時線徑要大。
手機ESD防護方案使用器件對比
目前手機過電壓ESD防護方案中用到的器件主要有：采用氧化鋅陶瓷材料制作的壓敏電阻MLV；基于半導體技術的ESD抑制器件如TVS二極管以及其他防護IC；基于高分子聚合物技術的聚合物ESD元件。
TVS管的突出優(yōu)點是限制電壓比較低，最低可以達到10伏以下，這在過電壓保護中起到良好的抑制過電壓作用，不足之處是不能吸收過電壓能量。而聚合物ESD壓敏電阻得益于材料和結構，電容量最小可做到0.05pF以下，可應用于超高速線路，例如USB3.0、HDMI1.4等，不足之處是導通電壓很高、不能吸收能量。
壓敏電阻的氧化鋅陶瓷內(nèi)部晶粒結構可以吸收一部分能量，因此能夠耐受較大瞬態(tài)能量，不僅可以用來進行ESD防護，還可以對感應過電壓，操作過電壓進 行防護。同時疊層壓敏電阻內(nèi)部還是電容結構，有利于線路的EMC設計。壓敏電阻的缺點是限制電壓比較高(順絡的壓敏電阻大部分限制電壓在50V以下，部分 小電容產(chǎn)品超過50V)，但這樣的限制電壓已經(jīng)遠小于各類器件芯片的瞬間耐受電壓，可以起到優(yōu)秀的過電壓防護效果。 在價格方面，壓敏電阻性價比更高，TVS管和Polymer價格比壓敏電阻要高很多。壓敏電阻因為其突出的性價比，緊湊的尺寸，優(yōu)秀的綜合性能迎合了手機 性價比和小尺寸的要求，在手機ESD防護解決方案上得到廣泛的應用。
壓敏電阻應用時一端與被保護器件并聯(lián)，另外一端要接地。在系統(tǒng)正常工作時，壓敏電阻呈現(xiàn)大電阻(MΩ級別)特性，壓敏處于開路狀態(tài)；當過電壓達到壓 敏電壓時，壓敏電阻迅速變成小電阻(數(shù)Ω級別)，在此過程中，壓敏電阻氧化鋅晶粒吸收部分能量，其余泄放到實地，有效避免地電位產(chǎn)生瞬態(tài)電磁干擾。
如何為手機應用選擇合適的壓敏電阻
最大直流工作電壓、電容量、瞬態(tài)電阻是為手機應用選擇壓敏電阻時需要注意的性能指標。以下為具體的判斷和選擇方法。
1. 最大直流工作電壓(Vdc)
最大直流工作電壓指壓敏電阻器在最高操作溫度下使用時的最大持續(xù)直流工作電壓，被用來作為測試漏電流的對應電壓點，該電壓總是比壓敏電壓小。應用時，Vdc要大于系統(tǒng)的額定工作電壓，這樣才能保證系統(tǒng)正常工作。
2. 電容Cp
壓敏電阻內(nèi)部是電容的結構，電容量的大小對高速線路影響很大，對于高頻率傳輸信號，電容Cp應小些，反之亦然。如在USB3.0、IEEE1394、HDMI 接口使用低于1pF壓敏電阻。
3. 內(nèi)阻匹配
壓敏電阻在線路中的應用如圖1所示，根據(jù)IEC61000-4-2 標準，電路中元器件耐壓至少應為2kV(7.5A)，要使IC不受ESD影響，則在不同條件下：當線路中出現(xiàn)8kV ESD時，Rv＜R/3；當線路中出現(xiàn)1kV ESD時，Rv＜R/5。保險起見, 選壓敏電阻時, 其瞬態(tài)電阻Rv 應小于R/5。 瞬態(tài)內(nèi)阻與壓敏電阻的電容有很大的關系，電容越大，瞬態(tài)內(nèi)阻越小，所以在不影響傳輸速率的條件下，盡量選用較大電容的壓敏電阻。隨著電容量的增大，同尺寸同工作電壓的壓敏電阻瞬態(tài)內(nèi)阻變小。
壓敏電阻的電容值是一個很重要的參數(shù)，正確的選型可以對電路起到更有效的防護效果。針對手機各個部位的電壓大小，傳輸速率的不同，現(xiàn)給出深圳順絡電 子對ESD和過電壓防護的方案設計：圖2里推薦選用了多種壓敏電阻型號，考慮了最佳的應用效果。實際選用過程，工程師可能更傾向于根據(jù)電路的傳輸速率選用 數(shù)種壓敏型號，便于物料的管理。
