过电压保护市场一直由标准TVS二极管主导，特别是在2.5V、3.3V和5V空间运行的低功率高速数据系统中
 
作者：Alfredo Ochoa，产品和应用工程师经理，ProTek Devices
对于低功耗、高速数据系统，标准TVS二极管通常与低电容二极管结合使用，以减少HDMI 2.0、USB 3.1和千兆以太网等应用中的寄生电容。TVS二极管在不牺牲性能的情况下提供了尽可能小的外形尺寸。但随着电路密度的持续增长，电路保护行业需要改变解决方案。
更多数据饥渴型应用的出现是电路密度增长的核心。因此，近年来，硬件ESD瞬态保护解决方案也转移到更高的传输频率。在这里，电路元件的数量变得越来越密集。这使得它们更容易受到电应力过大造成的物理损伤。这种尺寸减小和密度增加的推动了对替代电路保护解决方案的需求。
在电信过压电路保护领域，有一种固态技术受到了越来越多的关注。它是一种特殊的晶闸管结构，称为瞬态抑制器保护装置（TSPD）。该模型基于一个典型的SCR，该SCR由一个P-N-P-N结构组成。在这里，栅极电流由雪崩结器件（TVS二极管）和NPN部分基极和发射极之间的分流电阻器控制（见图1）。


图1：左侧为TSPD功能模型，右侧为TVS二极管
 
如下图所示，与TVS二极管相比，这种新型晶闸管装置具有固有优势（见图2）。


图2：比较两种器件的V-I特性
 
优势
此处显示的点“a”是数据信号线的最大峰值工作电压点。因此，只要该值低于击穿电压（点“b”），器件将处于关闭状态。
对于TVS器件，如果出现ESD事件或快速电压瞬变，器件将“钳制”并遵循图2所示的轨迹“b-c”。这将把瞬态能量分流到地，在瞬态消失后，器件将再次回到关闭状态。作为单向器件，当正向偏置时，TVS的行为类似于在点“e”处有VF的标准P-N结。
晶闸管的蓝色迹线图
在同样的情况下，对于图2中的蓝线，点“a”是工作电压，我们现在看的是晶闸管而不是TVS。因此，ESD或器件中的快速电压瞬变像TVS一样以通常的方式“钳制”。因此，它可以达到一个水平，即有足够的电流来启动NPN晶体管基极上的传导。这将锁定沿“b-b'-c”轨迹运行的器件，并将所有能量分流至地。瞬态消失后，电流降至保持电流以下或归零，器件将恢复到关闭状态。在这里，它将沿着轨迹“b'-a”。
正如所注意到的，比较两条V-I曲线，很明显，在相同电流（c vs.c'）下，“Vc”上存在一个δ。这提供了额外的一层保护。对于应用的CMOS电路来说，这也是一种压力较小的情况。
 
瞬态比较
为了给出该性能的物理示例以及晶闸管结构相对于标准TVS二极管的优势，请查看下面的图3。它显示了3Apk浪涌脉冲下的电压和电流波形图。


图3a：8/20µs 3Apk以下的晶闸管器件


图3b：8/20µs 3Apk浪涌下的标准TVS二极管
 

图3c：比较两种技术的电压波形图
 

图3：晶闸管技术与标准TVS二极管的比较
 
好处
如图所示，与标准TVS结构相比，将这一旧技术引入ESD和快速瞬态电路保护提供了更低的箝位电压。这将最大限度地减少对应用的压力，将电压保持在电压信号公差的较低或最小值。
此外，这种小型晶闸管装置的设计允许您将电容值降至0.35pF以下。这与TVS二极管和0.5pF的低电容二极管相结合进行了比较。因此，这使得它们适合在高达3GHz的高速数据信号中工作。因此，应用范围更广。
由于晶闸管装置提供较低的箝位电压，这意味着其功耗较低。因此，它还通过减小片芯尺寸面积来改善总体设计机会。它允许设计成更小的封装。
有几个优点需要指出。有一个较低的箝位电压和超低电容的内在好处。但它也可以封装为单一版本和集成版本。通过这种方式，晶闸管不仅可以保护一条数据线，而且可以使用与现有TVS阵列解决方案相同的外形尺寸封装保护多达四条或六条数据线。
 
新一代器件
使用这些基于晶闸管器件的解决方案可以使用轨到轨PCB安装来实现。这包括单个双向器件的0.6x0.3平方毫米或四元集成阵列的1.3x0.8平方毫米。这将使重新布线跟踪线时的寄生阻抗降至最低。
电路保护技术解决方案正沿着这条道路前进。为了解决不断增长的电路密度问题，需要这样做。对于这种晶闸管技术，可能会推出新的解决方案。
晶闸管代表了新一代ESD瞬态保护器。对于工程师来说，它们是在大电流应用和高速总线（如USB 3.1、HDMI 2.1、e-SATA和千兆以太网）中设计电路保护的理想选择。
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