芯耀
2237
靜電放電（ESD）是造成電子產品和集成電路系統(tǒng)損壞的主要元兇之一，每年給電子行業(yè)帶來的損失高達數(shù)千億人民幣。ESD 對電子產品造成的損傷中有 90% 都是潛在性損傷，這類損傷在出廠質量檢測中難被檢測到，但會在產品使用過程中逐漸顯現(xiàn)出質量問題。因此，ESD 被視為是電子產品質量最大的潛在威脅，而靜電防護也成為電子產品質量控制中的關鍵環(huán)節(jié)。
在靜電防護設計中，選擇合適的 ESD 保護器件至關重要。在所有靜電防護的應用場景中，天線等射頻接口是對 ESD 保護器件要求最高的場景之一。這類應用場景下，器件不僅要能在受到正向或者反向瞬態(tài)高能量沖擊時極快地將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩梗晕崭吣芰康乃矔r過壓脈沖并將其電壓鉗位于一個預定值，還要盡可能減少由于 ESD 保護器件的寄生參數(shù)或電氣特性帶來的諧波噪聲和互調干擾。諧波噪聲和互調干擾可能會導致無線模塊傳輸信號失真或者接收靈敏度下降，進而增加通信的誤碼率。
ESD 保護器件的種類
SG Micro Corp
常見的 ESD 保護器件主要包括壓敏電阻、陶瓷 TVS 二極管和硅 TVS 二極管等。
壓敏電阻的工作原理基于其非線性的伏安特性，響應時間相對較慢（通常在 ns 級），而其高達幾百 pF 的結電容使其不適宜直接應用于高頻信號的保護。此外，壓敏電阻的 ESD 性能會隨著使用次數(shù)的增加而逐漸降低。
陶瓷 TVS 二極管采用電極間放電機制，其結電容很低，一些國際優(yōu)秀廠商的產品甚至可以做到 0.05pF。然而它們能夠承受的 ESD 脈沖次數(shù)有限，一般在 1000~10000 次之間。
硅 TVS 二極管是基于 PN 結雪崩擊穿原理，能夠在 ps 級時間內吸收數(shù)千瓦的浪涌功率。雖然其結電容相對于陶瓷 TVS 略高，過往認為不太適合用于射頻產品，但隨著工藝的進步，硅 TVS 的結電容也在逐漸逼近陶瓷 TVS 的水平。此外，硅 TVS 的工作原理決定了其使用次數(shù)沒有限制，性能也不會隨著 ESD 脈沖的增加而下降。
圣邦微電子推出的 TVS 二極管是硅 TVS 二極管。器件結電容做到了 0.15pF，且已成功通過 IEC61000-4-2 測試認證。
接下來，我們將主要介紹器件結電容低和屬于非回彈型?TVS 二極管兩方面特性以及這兩種特性在射頻應用中具備的優(yōu)勢。
一、低結電容 TVS 二極管特性及在射頻應用中的優(yōu)勢
射頻技術為何青睞低結電容的 TVS 二極管？射頻芯片因其高工作頻率，對任何非預期的寄生參數(shù)都極為敏感，這些參數(shù)在高頻環(huán)境會放大其負面影響。因此，射頻領域對 ESD 保護器件提出了更嚴苛的要求。圖1展示了圣邦微電子不同結電容 TVS 二極管在 10Gbps 高速信號傳輸情況下的眼圖。最左側的眼圖顯示了未經PCB板傳輸?shù)男盘枺虚g的眼圖顯示了僅通過空 IC PCB 板傳輸?shù)男盘?，最右側的眼圖則是經過加裝 IC 的 PCB 板信號傳輸?shù)那闆r。
通過對比可以明顯看出，當 PCB 板加裝了結電容為 0.692pF 的 TVS 二極管后，傳輸信號波形發(fā)生了明顯畸變；相對地，使用結電容為 0.232pF 的 TVS 二極管時，其眼圖與僅通過空 PCB 板傳輸?shù)难蹐D基本一致。這一結果標明，TVS 二極管的結電容越小，對系統(tǒng)高速信號傳輸性能影響越小。
圖 1 不同結電容 TVS 二極管在高速信號傳輸情況下的眼圖
探查這一現(xiàn)象背后的機理，是射頻 IC 的源阻抗或電路板寄生電阻會與 TVS 二極管的結電容結合，形成一個 RC 低通濾波器，這種濾波器對高頻信號有衰減作用。寄生電容的增加會導致 RC 低通濾波器的極點頻率下降，進而增加插入損耗（Insert Loss，是指發(fā)射機和接收機之間，由于插入器件帶來的信號損耗，其定義為：IL = -10log(PO/PI)，測試原理框圖可見圖 2）。
圖 2 TVS 二極管插入損耗測試原理框圖
表 1 列出了 SGM05FB1E2 和 SGM15UB1E2 這兩款器件的基本參數(shù)，它們分別代表 5V 和 15V 的 TVS 保護器件。兩款產品均是雙向（Bidirectional）二極管，且結電容都小于 0.4pF。
表 1 SGM05FB1E2 和 SGM15UB1E2 的基本參數(shù)
根據(jù)圖 2 原理框圖進行的插入損耗測試結果在表 2 中列出。SGM15UB1E2 在 2GHz 頻率的測試下，插入損耗僅為 -0.01dB；而在 6GHz 頻率的測試下，插入損耗也僅為 -0.02dB。這些數(shù)據(jù)表明，低結電容的 TVS 帶來的插入損耗是極低的。
表 2 SGM05FB1E2 和 SGM15UB1E2 的插入損耗
二、非回彈型 TVS 二極管特性及在射頻應用中的優(yōu)勢
觸發(fā)電壓（Trigger Voltage）是 TVS 二極管從高阻抗狀態(tài)轉換為低阻抗狀態(tài)所需的最低電壓。對于回彈型（Snap-Back）TVS 二極管，觸發(fā)電壓標記著進入回彈區(qū)域的第一個拐點；而對于非回彈型（Non-Snap-Back）TVS 二極管，其電流隨兩端的電壓增大而單調上升，不存在折返特性。
圖 3 展示了 GSM 天線接口連接電路。若 TVS 二極管的觸發(fā)電壓太高，可能無法觸發(fā)保護機制，導致周圍低壓器件受損。天線等射頻接口電路的電容等元件一旦燒毀，極易影響濾波網絡，導致二次、三次等諧波增大。因此，降低觸發(fā)電壓是 TVS 二極管研究的重要方向之一。
圖 3 GSM 天線接口連接電路
圖 4 展示了最大工作電壓為 15V 的陶瓷 TVS 二極管的 I-V 特性和漏電流曲線。其中黑色曲線代表 I-V 特性，藍色曲線代表漏電流?？梢钥闯?，這種陶瓷 TVS 二極管是典型的回彈型器件，其觸發(fā)電壓接近 200V。如此之高的觸發(fā)電壓使得陶瓷 TVS 二極管用在信號線上的應用極易導致器件未能及時動作而損壞后端被保護的 IC，其 ESD 防護性能不全面，存在很大的潛在風險。同時可以看出，陶瓷 TVS 二極管的漏電流穩(wěn)定性較差。
相對的，圖 5 展示了最大工作電壓 15V 的硅 TVS 二極管（SGM15UB1E2）的 I-V 特性和漏電流曲線。該器件是非回彈型器件，觸發(fā)電壓低于 20V。超低的觸發(fā)低壓可以更早吸收浪涌能量，并極大降低浪涌電壓來臨時器件不動作的概率。此外，器件的漏電流非常穩(wěn)定，保持在 55pA 左右。
圖 4 陶瓷 TVS 二極管的 I-V 特性和漏電流曲線
圖 5 硅 TVS 二極管的 I-V 特性和漏電流曲線
圖 6[1] 和圖 7[1] 分別展示了非回彈型和回彈型 TVS 二極管在 100MHz RF 信號下的電流和電壓瞬態(tài)波形。從圖中可以明顯看出，回彈型 TVS 的電流和電壓受到嚴重的 RF 信號干擾。表明回彈型 TVS 二極管很可能會導致更強的諧波，從而導致天線的靈敏度下降；而非回彈型 TVS 二極管在很大程度上不受 RF 信號的影響。因此，從諧波角度來看，非回彈型 TVS 二極管可能是更適合在天線等射頻應用中使用的器件。
圖 6 100MHz RF 信號下的 TVS 二極管電流瞬態(tài)波形
圖 7 100MHz RF 信號下的 TVS 二極管電壓瞬態(tài)波形
最后，為了方便研發(fā)工程師快速而準確地挑選圣邦微電子的 TVS 二極管型號，圖 8 詳細展示了圣邦微電子 TVS 二極管產品命名規(guī)則。
圖 8 圣邦微電子 TVS 二極管命名規(guī)則
參考文獻：
[1] G. Maghlakelidze, S. Marathe, W. Huang, J. Willemen and D. Pommerenke, "Effect of RF Signals on TVS Diode Trigger Voltage for ESD Protection," 2020 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity (EMCSI), Reno, NV, USA, 2020, pp. 194-199.
