如何透过TLP量测看选择电子元器件ESD防护TVS
用于ESD分析的传输线脉冲(TLP)测试--元件级
2015.01.23版
Wei Huang, Jerry Tichenor
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我们为何关注ESD？
有物理损伤, 但功能正常- ESD造成的IC损伤
Picture 6
ESD浪涌造成的过电压。IC仍然能工作，但已经接近 彻底损坏。
6
我们为何关注ESD？
硬件故障 - ESD造成的IC损伤
Picture 7
电气过应力(Electrostatic Over Stress - EOS)损坏
Semtech uClamp0541Z 数据表
ESDEMC TLP 测试结果
19
什么是TLP测试？
什么是TLP测试？
• 超快TLP测试: TVS二极管的开启特性 （脉冲开始的几个纳秒）
DUT电阻-时间-脉冲电压瀑布图
6V TLP脉冲
DUT电阻值上限取决于绘图 目的
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什么是TLP测试？
标准TLP的典型应用
• 带电人体接触受试设备(DUT) • ANSI/ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2010 • 对地测试电压4000V, 电流< 3A (也可用8000V ) • 皮肤放电(IEC 61000-4-2标准是手持金属放电)
Picture 9
对地放电，上升时间(tr) – 2 to 10ns
TVS管的使用和选型
TVS管的使用和选型TVS（Transient Voltage Suppressor）管是一种用于保护电路免受瞬态过电压损害的器件。
它具有快速响应、高稳定性和高耐受能力等特点，广泛应用于电子设备的电源供应、通信系统、自动控制系统等领域。
本文将介绍TVS管的使用和选型。
一、TVS管的使用1.瞬态过电压保护：TVS管主要用于保护电路免受瞬态过电压的损害。
当电路遭受到雷电或其他瞬态过电压时，TVS管能够迅速响应并将多余的电压导向地。
2.安全保护：在电源供应系统中，TVS管用于保护电路免受过电流、过电压和过热等问题的影响，确保设备的安全运行。
3.信号保护：在通信系统中，TVS管用于保护各种信号线路免受电磁干扰和静电放电等因素的影响，确保信号的可靠传输。
4.电源管理：TVS管可以用于稳定电源波形，减小电源的波动和噪声，提高电源的质量和稳定性。
二、TVS管的选型在选择TVS管时，需要考虑以下几个因素：1. 工作电压（Working Voltage）：这是指TVS管能够正常工作的最高电压。
在实际应用中，应选择额定工作电压略高于电路的最高工作电压，以确保TVS管能够有效地保护电路。
2. 最大峰值脉冲电流（Peak Pulse Current）：这是指TVS管能够瞬时承受的最大电流。
在选择TVS管时，应根据电路中的最大脉冲电流进行匹配。
如果电路中存在较大的脉冲电流，应选择具有更高的最大峰值脉冲电流的TVS管。
3. 响应时间（Response Time）：这是指TVS管从电压超过其工作电压时到达正常导通的时间。
响应时间越短，TVS管对瞬态过电压的保护能力越强。
4. 瞬态阻抗（Clamping Voltage）：这是指TVS管在工作电压下的电压降低程度。
瞬态阻抗越小，TVS管对于电路中的瞬态过电压的保护能力越强。
5. 封装形式（Package Type）：TVS管有多种不同的封装形式，包括SMD封装、插件封装等。
根据具体的应用需求选择适合的封装形式。
ESD与latchup测试介绍解读
HBM测试方法及标准 1.ANSI-STM5.1-2001 JESD22-A114D -2005 AEC-Q100-002D -2003 2.该标准用于明确HBM模式下的ESD电压敏感度的 测试、评价以及分级过程 3.整个测试过程繁琐，尤其对仪器及脉冲波形的校 验工作，但非常必要 4. ESD测试中，器件不在工作状态
FIM模式的静电放电发生是因电场感应而起的。当 IC因输送带或其它因素而经过一电场时，其相对 极性的电荷可能会自一些IC脚而排放掉，等IC通 过电场之后，IC本身便累积了静电荷，此静电荷 会以类似CDM的模式放电出来。
有关FIM的放电模式早在双载子(bipolar)晶体管时代 就已被发现，现今已有工业测试标准。 国际电子工业标准(EIA/JEDEC STANDARD) 中亦 有此电场感应模式订定测试规范 (JESD22-C101) 。
ESD模型及有关测试
1、ESD模型分类 2、HBM和MM测试方法标准 3、 CDM模型和测试方法标准 4、拴锁测试 5、 I-V测试 6、标准介绍
1、ESD模型分类
因ESD产生的原因及其对集成电路放电的方式不同， 经过统计，ESD放电模型分下列四类: (1) 人体放电模式 (Human-Body Model, HBM) (2) 机器放电模式 (Machine Model, MM) (3) 组件充电模式 (Charged-Device Model, CDM) (4) 电场感应模式 (Field-Induced Model, FIM) 另外还有两个测试模型： (5)对于系统级产品测试的IEC电子枪空气放电模式 (6)对于研究设计用的TLP模型
HBM/MM测量方法
如果每次调升的ESD测试电压调幅太小，则测试到IC脚损坏要 经过多次的ESD放电，增长测试时间; 若每次调升的ESD测试电 压太大，则难以较精确测出该IC脚的ESD耐压能力。 规定： 正负极性均要测试 从低压测到高压，起始电压为70%的平均ESD failure threshold (VESD) 步进当小于1000V时步进50V(100V)，大于1000V时步进 100V(250V, 500V) 可以是一个管脚步进测量或者所有管脚扫描测量
TVS的选用
TVS的特性及应用2004-12-13 作者：huanghm瞬态电压抑制器（Transient V oltage Suppressor）简称TVS，是一种二极管形式的高效能保护器件。
当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受各种浪涌脉冲的损坏。
由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点。
目前已广泛应用于计算机系统、通讯设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表（电度表）、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪音的抑制等各个领域。
具体有以下三大特点：1、将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或单片机因瞬间的肪冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。
2、静电放电效应能释放超过10000V、60A以上的脉冲，并能持续10ms；而一般的TTL器件，遇到超过30ms的10V脉冲时，便会导至损坏。
利用TVS二极管，可有效吸收会造成器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的干扰（Crosstalk）。
3、将TVS二极管放置在信号线及接地间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。
一、TVS的特性及主要参数1、TVS的特性曲线TVS的电路符号与普通稳压二极管相同。
它的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的PN结雪崩器件。
在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS的电流，由原来的反向漏电流ID上升到IR时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，TVS被击穿。
利用屏幕截图和TLP进行ESD保护元件的大电流性能鉴定
利用屏幕截图和TLP进行ESD保护元件的大电流性能鉴定Ashton 博士说在正常工作条件下，ESD 保护元件应该保持在不动作状态，同时不会对电子系统的功能造成任何影响，这可以通过维持低电流以及足以在特定数据传输速率下维持数据完整性的低电容值来达成。
而在ESD 应力冲击或者说大电流冲击条件下，ESD保护元件的第一个要求就是必须能够正常工作，要有够低的电阻以便能够限制受保护点的电压；其次，必须能够快速动作，这样才能使上升时间低于纳秒的ESD 冲击上升时间。
众所周知，对于电子系统而言，它必须能够在IEC 61000-4-2 标准测试条件下存续。
虽然大部分的ESD 保护元件都宣称能够承受IEC61000-4-2 所指定的应力冲击等级，如8 kV 或第四级(Class 4)，但业界却没有公认的ESD 保护元件大电流抑制特性测试的合格标准。
对此，安森美半导体给出了自己的定义，也就是在±10 kV 应力电压(高于8 kV)测试下，被测器件仍然符合其数据表规范，且器件特性没有显著变化。
不过，要比较不同ESD 保护元件的大电流抑制特性，还需要对其进行测试鉴定。
而通过对不同ESD 保护元件施加大电流冲击所产生的波形的屏幕截图对比，是重要的第一步。
图 2 TVS 元件与压敏电阻在8kV IEC 61000-4-2 应力冲击测试下的输出波形对比。
图 2 的屏幕截图就是这样一个范例。
从图中可以看出，安森美半导体的TVS 元件可以迅速将ESD 应力降低，即从8 kV 静电电压钳位到5 至6 V 的水平；但压敏电阻的曲线则下降得很慢，而且无法降到很低的水平。
该曲线表明，TVS 器件的恢复时间非常短，经过TVS 器件泄漏到后面电路的能量也非常少，特别适合于便携式设备的应用。
而在多重应力条件下，两者的差别就表现得更为突出。
由于TVS 采用二极管工作原理，受到电击后，会立即击穿，然后关闭，对器件没有损伤，因此可以说没有寿命限制。
TVS,ESD管特性参数及选型
TVS、ESD管特性参数及选型TVS、ESD管特性参数及选型TVS二极管是专门设计用于吸收ESD能量并且保护系统免遭 ESD损害的固态元件。
如果应用得当，TVS二极管将限制跨在被保护器件上的电压刚好高过额定工作电压，但是却远低于破坏阈值电压。
T VS 相关参数处理瞬时脉冲对器件损害的最好办法是将瞬时电流从敏感器件引开。
TVS 二极管在线路板上与被保护线路并联，当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS 二极管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电阻通路，其结果是瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前使被保护回路一直保持截止电压。
当瞬时脉冲结束以后，TVS 二极管自动回复高阻状态，整个回路进入正常电压。
许多器件在承受多次冲击后，其参数及性能会发生退化，而只要工作在限定范围内，二极管将不会发生损坏或退化。
在选择TVS 二极管时，必须注意以下几个参数的选择：1. 最小击穿电压 VBR（M INIM UM BRE AKDOWN VOLT AGE）和击穿电流IR：VBR是TVS最小的击穿电压，在 25℃时，低于这个电压TVS是不会发生雪崩的。
当TVS流过规定的1mA 电流(IR)时，加于TVS 两极的电压为其最小击穿电压VBR。
按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把 VBR分为5%和10%两种。
对于5%的VBR来说，VWM=0.85VBR；对于10%的VBR来说，VWM=0.81VBR。
为了满足IEC61000-4-2 国际标准，TVS二极管必须达到可以处理最小8kV(接触放电)和 15kV(空气放电)的ESD冲击，有的半导体生产厂商在自己的产品上使用了更高的抗冲击标准。
对于某些有特殊要求的便携设备应用，设计者可以按需要挑选器件。
2. 最大反向漏电流ID和额定反向关断电压VWM（RAT E D ST AND-OFF VOLT AGE）：VWM这是二极管在正常状态时可承受的电压，此电压应大于或等于被保护电路的正常工作电压，否则二极管会不断截止回路电压；但它又需要尽量与被保护回路的正常工作电压接近，这样才不会在 TVS 工作以前使整个回路面对过压威胁。
如何选择ESD保护元件
如何选择ESD保护元件本文将分析系统设计师可以采用的一些保护产品类型，并比较它们的特性。
为了确保系统在遭受ESD事件时的鲁棒性，必须按照IEC 61000-4-2等标准来测试这些产品。
系统设计师采用多种方法来确保产品符合主流的ESD标准，包括解决外壳设计、电路板设计、元件选择，甚至是软件修复。
其中一个重要的方法是在输入和输出(I/O)连接器等关键电路节点处使用保护元件。
ESD保护元件通常称作瞬态电压抑制器(TVS)。
TVS的ESD保护原理许多集成电路(IC)都有一些可能比较敏感的输入，这使得它们在输入电压远高于正常值的的情况下(例如在ESD应力作用下)易于受损。
正常工作电压与使器件开始受损的电压之间的区域是安全过压区。
安全过压区与器件受损区之间有少许交叠，因为如果较大的过压仅持续极短时间，那么即使不是在安全过压区，器件可能也可以承受。
TVS的任务就是发生ESD事件时，将输入电压维持在安全过压范围之内，而在正常工作时不影响系统性能。
TVS器件被放置于邻近ESD事件可能进入系统的位置，旨在限制敏感节点处的电压，并将电流引至不太敏感的节点，如地电平。
为实现这个功能，TVS必须在正常工作电压范围内拥有高阻抗,在正常工作电压范围之外拥有低阻抗，这样才能将电流直接从敏感节点引开，并限制瞬态电压。
对TVS的基本要求与具体应用有关，但一般情况下有如下要求：(1)能够在期望的ESD应力下正常工作;(2)在正常电压范围内具有高阻抗(低泄漏);(3)在正常电压范围之外呈低阻抗;(4)导通电压适合应用;(5)在遭受应力期间可快速地从高阻抗转换至低阻抗(6)电容对目标应用而言不太高。
在比较具体的TVS器件类型之前，需要理解两种分类。
单向与双向保护：单向和双向TVS器件都能抑制正向和负向应力。
依据TVS维持高阻抗、低泄漏状态的电压范围，可以最好地理解这两个术语的不同。
这种电压范围决定了TVS器件能保护的电路节点类型。
双向TVS具有相对于零伏电压的对称特性(图1)。
一文精通TVS计算及选型
提到TVS,大部分电子工程师基本都知道是用来端口防护的，防止端口瞬间的电压冲击造成后级电路的损坏。
由于其在电路中的极其重要的地位，但是，针对TVS的选型过程，很多厂家都是直接给推荐电路，直接告诉设计者答案选择哪个器件，却很少对选型过程提供理论计算，大部分的电子工程师针对TVS选型的时候，老人凭经验，新人凭参考，一旦更换厂家或者更换测试条件，就无从下手了，本文就专门解决该问题，让新人老人对 TVS选型都能得心应手。
01TVS工作原理TVS (Transient Voltage Suppressors)，即瞬态电压抑制器，又称雪崩击穿二极管。
它是采用半导体工艺制成的单个PN结或多个PN结集成的器件。
TVS有单向与双向之分，单向TVS 一般应用于直流供电电路，双向TVS应用于电压交变的电路。
如图1所示，应用于直流电路时单向TVS反向并联于电路中，当电路正常工作时，TVS处于截止状态(高阻态)，不影响电路正常工作。
当电路出现异常过电压并达到TVS(雪崩)击穿电压时，TVS迅速由高电阻状态突变为低电阻状态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压钳制在较低的水平，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。
当异常过电压消失后，TVS阻值又恢复为高阻态。
图1 ：TVS工作原理02TVS关键参数工欲善其事，必先利其器，要用好TVS，必须先了解其关键的参数。
(1)Vrwm截止电压：TVS的最高工作电压，可连续施加而不引起TVS劣化或损坏的最高工作峰值电压或直流峰值电压。
对于交流电压，用最高工作电压有效值表示，在V RWM下，TVS认为是不工作的，即是不导通的。
换一句话，电路的最高工作电压必须小于Vrwm，否则将会导致TVS动作导致电路异常。
(2)I R漏电流：漏电流，也称待机电流。
在规定温度和最高工作电压条件下，流过TVS的最大电流。
TVS的漏电流一般是在截止电压下测量，对于某一型号TVS, I R应在规定值范围内。
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如何透过TLP量测看选择电子元器件ESD防护TVS
就如今电子市场来看，消费类电子很多产品也都必需经过IEC61000-4-2的静电放电测试要求。
TVS是一项专门设计用于吸收ESD能量并且维护零碎免于蒙受ESD损害的维护组件，因而如何选择适当的TVS以进步电子产品的ESD耐受度便成为一个重要的课题
如何量测到TVS在ESD冲击下的ClampingV oltage呢?传输线脉冲发生零碎，便是一无效地量测工具。
TLPSystem最早是由英特尔的T.J.Maloney所提出来，架构所示，其次要功用为停止待测组件在短工夫、高电流状况下之电压-电流特性量测。
此短工夫系指奈秒(ns)等级，高电流系指安培(A)等级。
而在此短工夫、高电流状况下之电压-电流特性，即仿真待测组件在ESD发作时的电压-电流呼应。
因而，以TLPSystem 来量测TVS维护组件，从量测到的电压-电流特性便可以预测在ESD冲击下，TVS的导通电压(Turn-onV oltage)及导通后的ClampingV oltage。
TVS的Turn-onV oltage越低代表导通速度越快，ClampingV oltage越低代表TVS的维护效果越好。
TVS维护组件的任务原理所示，TVS在线路板上是与被维护线路并联的，当ESD霎时高电流的冲击下，TVS可以实时导通提供应瞬时电流一个超低电阻通路，此时ESD的瞬时电流与能量便经由TVS所引开，电子元器件但是TVS能否可以对被维护线路提供无效地维护功用除了须思索TVS在ESD冲击下的导通速度能否够快，更需要思索TVS导通后箝制电压(ClampingV oltage)能否够低，来防止被维护线路遭到ESD的冲击而形成讯号的搅扰所引发零碎重置、当机甚至损伤。
因而，在ESD冲击下，TVS导通后的ClampingV oltage上下便是选择TVS效能的一项重要目标。
博尚电子科技是目前国际独一能完好推出全系列防静电IC的厂商，ESD防护才能上可满足消费性电子产品规范（IEC61000-4-2第4级）的要求。
在TVS的设计上是全方位的思索，在ESD冲击下，不只具有高的ESD耐受度、疾速地导通速度，更具有目前业界最低的ClampingV oltage，能提供电子产品最高的ESD防护效能。
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电子元器件恩智浦推出SAF775x实现突破性的音频处理
恩智浦消费类电子半导体全球最大的车载文娱半导体供给商明天推出了SAF775x，将汽车收音机和音响零碎完选集成在单个芯片上。
SAF775x是恩智浦广受欢送的汽车收音机和音频DSP产品系列的第三代，并且是业界第一款具有嵌入式AM，FM和DAB等多调谐器的RFCMOS单芯片。
改良的音频处置才能，新产品完成了杰出的接纳功能。
同时，透过增加核心物料清单使SAF775x明显降低零碎本钱。
恩智浦几年前已推出FM双协调器的形态多样性（PhaseDiversity）专利技术在汽车收音机的使用，运用两个调谐器以取得更好的接纳效果。
但是，到目前为止，两个调谐器依然各自是独自的高频接纳芯片，也是数字信号处置芯片（DSP）之内部器件。
为了防止搅扰和配合用于模仿RF调谐器和DSP技术中的不同工艺技术，所以调谐器是分开独立的器件。
SAF775x的推出，恩智浦再次树立收音机无线电处置的新里程碑，在单个晶粒（die）上集成了两个独立的调谐器，发明出一个集成度更高的处理方案，明显降低了零碎本钱。
这种集成的双调谐器设备是前几代产品两倍以上的处置才能，可完成杰出的无线功能和更好的片面接纳质量。
此外，SAF775x具有了开放的可编程性。
此产品包括了一个「开放的」”Tensilica公司HiFi2音频DSP，客户可以自行编写顺序发明产品特点，或运转第三方软件供给商的顺序。
这使汽车收音机制造商不需求采用昂贵的外置IC，也可以有选择性和弹性地做出有市场区隔的车载信息文娱处理方案。
博尚电子公司是一家抢先的车载信息文娱零碎供给商，与恩智浦在整个芯片开发进程都坚持亲密协作，
以确保能晚期采用恩智浦调谐器和DSP技术。
深圳市硅晶电子科技公司和技术总监ChristianFeltgen解释说：「硅晶电子努力于创新技术，进步车内文娱体验。
杰出的声响质量和无线电接纳效果是客户的根本希冀，而添加了“开放式”DSP中心，使伟世通能开发令人兴奋，具有差别化且以客户为中心的固件。
」
新的SAF775x为市场带来的另一项优点是其先进的音频处置才能。
客户能运用HiFi2音频DSP来停止第三方供给商，如Arkamys或AM3D所提供的音频处置。
在HiFi2音频的DSP上运转上，自动式发起机乐音消弭是另一项创新的使用顺序：在音乐播放和驾驶时的恼人谐波搅扰都可以由音频软件处置删除。
与第三方软件相结合，SAF775x以低本钱的方式减低不用要的乐音，恢复令人称心的原始声响。
恩智浦半导体车载文娱零碎初级副总裁兼总经理TorstenLehmann说：「SAF775x是业界的一大打破，两个调谐器各自独立地在同一个芯片上任务，同时还具有多个数字处置器内核，目前没有其它电子元器件半导体公司可以到达这个程度的RFCMOS整合。
这种整合降低了总体拥有的本钱，并大幅减少使用顺序所占空间，同时完成良好的接纳和声响表现。
我们十分快乐的是伟世通已决议采用我们的SAF775x芯片，他们是抢先的一级车载信息文娱零碎供给商指导品牌。
」
特点
双调谐器RFCMOS集成的汽车无线电处理方案
多规范的（包括DAB）的前端
基于DSP的AM/FM收音机处置
先进的多中心音频子零碎
片上微控制器
普遍的数字和模仿接口和I/O
集成Tensilica公司HiFi2音频数字讯号处置器，可停止产品客制化。
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