Feb . 2024
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系统级静电防护在新一代电子产品上越来越重要，快速发展中的新兴的应用也需要防护能力更强的方案。英飞凌在TVS产品上持续投入研发，提供一系列更低钳位电压、更低容值以及更广工作电压的产品。
英飞凌的TVS产品主要为WLCSP封装，致力于提供高质量、高产能、高性价比的产品。封装大小主要为0201（0.58 x 0.28 x 0.15 mm³）以及01005（0.43 x 0.23 x 0.15 mm³），助力产品小型化设计。
英飞凌的低容TVS产品聚焦于USB高速接口静电防护以及天线静电防护，高容产品聚焦于电源静电防护。点击此处，获取规格书以及仿真文件。
以下将根据英飞凌TVS产品聚焦的应用，分别介绍几类TVS产品的特点。
图１ USB type-C插座接口端口定义
USB的全称为Universal Serial Bus通用串行总线，是一种用于传输功率以及数据的工业标准，广泛应用于手机、电脑、键盘、相机等信息通讯产品。
到2023年为止，USB包含四种规格，USB1.x、USB2.0、 USB3.x以及USB4。目前手机、笔记本电脑中通用的接口类型为USB type-C，支持USB2.0、USB3.x以及USB4。
以下图１为type-C插座接口定义，包含四对高速数据线（Tx/Rx）、两对低速数据线（D+/D-）、一对SBU、两路CC以及四路Vbus/GND，对称的设计使得type-C可以实现正反插功能。
图２ USB不同协议高速接口通信速率
USB高速接口通信速率如下图２所示：
图３ 英飞凌USB高速接口静电防护TVS产品
由于TVS本体寄生电容的影响，TVS在实现静电防护的同时，也会削弱有用信号，即所谓信号衰减。通信速率越高，对应的频域基波频率越高，信号衰减越强。当信号衰减超出芯片补偿能力时，信号失真会加大误码率/误波特率，从而导致通信质量降低，用户体验受到影响。
寄生电容越小，对信号的衰减越低，所以高速信号静电防护，需要TVS容值越低越好。英飞凌开发了一系列针对USB高速信号静电防护的器件，可以满足不同速率信号线的需求。
以下为英飞凌几款已经量产且针对USB高速数据线防护的TVS产品，请参考图３：
图４ ESD151-B1-W0201插损数据
这几款产品均为深回摆器件，可以提供极低的钳位电压。其中，ESD151-B1-W0201容值最低、插损最小，如下图４为插损数据，0.26dB typ.@10GHz：
另外，对于USB高速差分数据线防护，英飞凌还提供了单颗可用于双线防护的产品ESD155-B2-W0201，封装为0201（0.58 x 0.28 x 0.15 mm³），如下图５为端口定义：
图６ ESD155-B2-W0201插损数据
ESD155降低了布板空间，三个端口的设计便于差分信号布线，助力产品紧凑型设计。同时，ESD155的插损可实现0.6dB typ.@10GHz，如下图６所示：
除以上已量产器件，英飞凌还有更多低插损特性的静电防护TVS即将量产，对于插损、击穿电压、静电防护能力等，各自均有不同程度的提升及优化，可以满足各种终端对于USB高速接口的防护需求。
图７射频电路TVS静电防护器件可能放置位置
蜂窝、蓝牙、WIFI、GNSS等无线传输的通信信号是通过天线传输到空气中的，天线是连接终端与其他通信设备的接口。静电是否会通过终端外部接口或者缝隙进入到天线以及内部射频通路，取决于各个终端结构设计。
为了防止静电造成射频器件损伤，天线调谐开关、射频电路最前端、PA或者开关等器件旁边，都有可能会增加TVS产品来保护薄弱器件。如下图７为TVS产品可能的防护位置：
对于天线防护TVS器件的选取，一般要综合工作电压、钳位电压、峰值电压、谐波、插损等来选取合适的器件。
图８ 50Ω系统不同功率对应峰值电压
2.1 工作电压的选取
天线与USB高速信号防护不同点在于，天线防护TVS可能需要更高的工作电压。由于天线为阻抗变换器件，各个位置阻抗不同，电压也不同，各个位置电压值需要精确仿真得到。我们以50Ω射频电路为例，计算不同单音信号功率对应的峰值电压值，如下图８所示：
图９低压天线静电防护TVS
从以上数据得知，在理想无反射情况下，20dBm功率的峰值电压为3.16V以下，选取工作电压为3.3V或者5.5V的TVS产品即可满足工作需求。此功率范围对应的典型无线通信方式为GNSS、蓝牙。蜂窝通信系统的发射功率要高的多，一般要考虑GSM900典型功率33dBm，甚至35dBm；对于NR 5G信号，需要考虑到PC2 26dBm均值功率以及系统峰均比，来计算峰值电压。
英飞凌的天线TVS防护器件，分为低压和高压两种。
以下为低压推荐的两款已量产器件：
图10 高压天线静电防护TVS
以下为高压推荐的已量产器件：
图11 ESD106 ±8kV静电枪测试电压波形
图12 ESD111 ±8kV静电枪测试电压波形
2.2 钳位电压、峰值电压
射频器件相对USB芯片通常可以承受更高的电压，但是根据IEC61000-4-2标准，使用静电枪测试时，较高的瞬时峰值电压仍然可能导致器件损伤。
ESD106相比ESD111，峰值电压更低。在IEC61000-4-2 8kV测试条件下，ESD111瞬时峰值电压为299V，ESD106的瞬时峰值电压为86V，如下图11、图12所示：
图13 ESD111谐波测试数据
2.3 谐波要求
杂散是每个无线通信系统设计时必须满足的法规标准，一般在1GHz以上，3GPP传导杂散要求为-30dBm，当然，在某些共存场景，杂散要求更高；另外，还需要考虑RSE指标以及对应的认证标准，在此不详细讨论。
ESD111具有非常出色的谐波性能，如下图13所示，为900MHz频率在不同输入功率单音信号下的谐波表现：
ESD111在单音信号20dBm时，三次谐波典型值为-70dBm；ESD106谐波数据虽略逊色于ESD111，但在单音信号20dBm时，仍可达到-52dBm，有非常大裕量。
USB部分介绍到的ESD151这颗器件，谐波数据也非常优秀，介于ESD106和ESD111之间，可以提供更低的钳位电压，缺点是静电防护能力稍弱一些。
图14 ESD106及ESD111插损数据
2.4 插损要求
对于手机、电脑等通信设备来说，常用的通信频率是在600MHz~7.125GHz，同样要求TVS器件造成的信号衰减越低越好，需要低容TVS产品。
以下为ESD106和ESD111插损数据，7GHz频率时分别为0.2dB以及0.3dB左右的插损.如图14所示：
在实际系统中，可根据对各个参数的不同要求，选取最合适的器件应用。
上述几款产品只是英飞凌天线静电防护TVS的一部分典型器件，还有更多低容、低钳位电压可用于天线防护的TVS产品已量产或即将量产，如有需求，可在英飞凌社区咨询。
图15 通用低钳位电压TVS产品
英飞凌的通用TVS产品泛指容值在1pF以上的TVS产品，每款产品均有各自的特点，以下介绍几款通用的产品。
3.1 英飞凌通用低钳位电压TVS产品
如下几款产品具有极低的钳位电压，静电防护能力均在15kV及以上，其中，ESD231静电防护能力可达到30kV，浪涌防护能力可达到12A，可满足大部分场景需求。
图16 ESD249及ESD259关键参数
图17 ESD249及ESD259谐波性能
3.2 英飞凌通用低谐波产品
通用防护TVS产品，由于容值较大，不会应用在射频通路上，一般不用考虑谐波性能。但是当TVS应用在天线辐射区域时，辐射功率会通过空口耦合到TVS产品线路上，仍可能会产生杂散信号，导致RSE超标。
ESD249以及ESD259即根据此场景开发的物料，在接收到一定辐射功率时，本体产生的杂散较低，不会影响到系统性能。
图1８ 英飞凌高工作电压通用TVS
3.3 英飞凌通用高工作电压产品
在某些场景下，需要高压TVS产品，比如USB type-C快充，英飞凌提供部分高压产品可供选用。
英飞凌还有其他更为丰富的TVS产品，比如单向TVS可提供更低正向钳位电压、具有EMI滤波功能的TVS管，如有需求请点击此处，访问英飞凌官网查询或英飞凌社区查看。
文章来源：英飞凌官微