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TVS二极管(ESD保护装置)什么是ESD保护元件?ESD对策元件的种类和工作原理

何谓ESD(Electro-Static Discharge : 静电放电)与浪涌?

例如,当带电的人体接触电子设备的接口等时,就会发生静电放电。这种现象被称为“ESD:Electrostatic Discharge(静电放电)”。“带电人体产生的ESD(人体带电模型)”是数千伏的高压。这种高压脉冲会侵入接触的电子设备内部,导致IC电路发生故障或损坏。为了预防进入电子设备内部的ESD损坏产品和系统,需要设置遏制或消除ESD的对策元件。
有关静电的产生机制、易产生静电的环境和材料、多类带电模型以及ESD对策的必要性等相关信息,请参照“什么是静电?基础知识和ESD对策”

人的手指接触笔记本电脑的输入/输出端口时产生静电放电 (ESD)的示意图照片。

ESD与浪涌(Surge)的区别

如上所述,ESD是指带电的导电性物体之间相互接触或充分接近时产生的静电放电现象。

另一方面,从广义上讲,浪涌(Surge)泛指瞬态过电压和过电流。
在切换电源开关时产生的过电流被称为“浪涌”,而由雷电引起的过电压和过电流则被称为“雷电浪涌”。

ESD对策必要的场所·时间(要点)

在发生人体接触或多种物体接触的全部部位,都会发生ESD(静电放电),有损坏设备内部的IC等风险。作为这些部位的ESD对策,需要使用类似TVS二极管、压敏电阻或遏制器的“ESD保护元件*”(关于这些ESD保护元件的特征区别和比较,请参照“什么是TVS二极管?与其他ESD保护元件之间的区别和特征”的“TVS二极管、压敏电阻和遏制器之间的区别”)。

以下列举了一些代表性的部位,这些部位特别需要通过类似TVS二极管这样响应速度特别快的ESD保护元件实施对策。

需要ESD对策的部位示例。笔记本电脑USB端口的USB连接器插拔、电子设备的按钮操作以及电路板之间相互连接的照片。
  • *本页面使用“ESD保护元件”作为ESD保护遏制器、ESD保护二极管、ESD保护滤波器、ESD保护、ESD保护装置等的统称。

用户插拔连接器的多类I/O接口

USB 支持USB 1.1 / USB 2.0 / USB 3.0 / USB 3.1 Gen1、Gen2 / USB 3.2 Gen1、Gen2、Gen1x2标准的USB Standard-A(Type-A)、Standard-B(Type-B) / USB Micro-B / USB mini-B / USB Type-C端口
HDMI 支持HDMI 1.0 / HDMI 1.1 / HDMI 1.2 / HDMI 1.2a / HDMI 1.3 / HDMI 1.4 / HDMI 2.0标准的HDMI(类型A) / HDMI-mini(类型C) / HDMI-Micro(类型D)端口
其他多类接口 电源输入输出 / 音频输入输出 / SD卡插槽等

用户直接接触和操作电气产品的部位

操作类
按钮、开关、选择器、旋钮等

电子设备内部电路板之间通过连接器连接的部位

电子设备内部的电路板之间通过连接器连接等场合
除了产品组装时外,在PC和工业设备等当中,用户为了扩展功能而安装可选电路板或线束等连接器时,也存在ESD(静电放电)导致IC损坏的风险,因此需要通过ESD保护元件实施对策。

ESD保护元件的种类

ESD保护元件包括TVS二极管、遏制器、压敏电阻和避雷器。本公司提供TVS二极管。 TVS二极管可用于静电放电(ESD)的瞬态过电压保护用途,例如,来自USB等的数据通信端子和电源端子的ESD保护(详情请参照“TVS二极管(ESD保护装置)”的“TVS二极管使用示例”)。

关于ESD保护元件之间的区别,在“什么是TVS二极管?与其他ESD保护元件之间的区别和特征”的“TVS二极管、压敏电阻和遏制器之间的区别”中进行详细说明。

该图展示了不同种类的ESD保护元件在材料和工作原理上的区别。例如,材料为基于陶瓷的元件有压敏电阻(电压可变电阻方式)、遏制器(电极间放电方式)和避雷器(利用气体放电现象),每种元件的工作原理各不相同。另一方面,TVS二极管的材料基于半导体,采用电场效应晶体管方式/稳压二极管方式。

使用ESD保护元件的优点

如左图所示,ESD通过人的手容易接触的外部接口侵入设备内部。
如果没有ESD保护元件,像ESD这一类数千伏的高电压会通过外部接口直接施加到IC上,从而损坏IC。ESD保护元件是防止IC因ESD而受损的元件。如右图所示,它被连接在位于外部接口和IC之间的数据线和接地端之间。
因此,ESD保护元件需要具备以下两种功能。

  1. 正常运行时,IC驱动电压在接地端处绝缘,并且不对数据线产生不良影响
  2. 施加ESD时对地导电,并将高电压释放到地面
原理是通过笔记本电脑的输入输出端口,用手指将ESD(静电放电)施加到IC上,从而造成损坏。
图解说明以下原理:通过在从输入输出端口到IC的线路上放置ESD保护元件,使ESD侵入时在施加到IC之前泄放到GND(地线)。

ESD保护元件必须具备的功能

正常情况下(数伏)
在IC驱动电压下与地面绝缘
施加ESD时(数千伏)
对地导电,将高电压释放到地面

ESD保护元件产品图

TVS二极管具有低静电容量/高静电容量和高静电放电能力的特征,可在DC电源线和不高于5Gbps的通信线路中实现高静电吸收。本公司备有芯片尺寸为0402至1006的产品。
关于ESD保护元件之间的区别,在“什么是TVS二极管?与其他ESD保护元件之间的区别和特征”的“TVS二极管、压敏电阻和遏制器之间的区别”中进行详细说明。

该图对TVS二极管、压敏电阻、遏制器和避雷器进行了比较,其中纵轴代表ESD保护性能,横轴代表通信线路的传输速度(~100Gbps)。从图中可以看出,TVS二极管在很大的传输速度范围内都具有很高的ESD保护性能。
ESD对策(静电放电对策)和TVS二极管(ESD保护器件)的基础知识

本网站将围绕ESD的概念、以及作为其对策部件的TVS二极管的功能、种类和特征进行介绍。

  • 什么是ESD保护元件?ESD对策元件的种类和工作原理