保护电路用半导体器件

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保护元器件用以对昂贵的电路提供保护，以免受到突发的过高电压或过大电流损害。利用这些元器件，可使产品具有抗雷电浪涌（surge）、静电放电（esd）、电瞬变（eft），电感负载切换以及交流电源波动的能力。使得产品更加耐用可靠，从而降低了产品的修理、维护费用。相关资料表明：全球每年因静电损坏的电子设备的损失高达100多亿美元。一些学者研究表明在静电防护中每投入1元，其回报达到95元。现在，线路防护能力已由过去的非限制性标准成了强制性标准，制造商必须使他们的产品满足esd 指标的最低水平，否则就不能把他们的产品售往欧盟等地区。

一  行业状况

目前市场上流行的保护器件主要有以下：

过流保护： 熔丝管（玻璃型和陶瓷型）

           聚合物正温度热敏电阻（pptc）－可复式保险丝

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过压保护： 金属氧化物压敏电阻（mov）

           气体放电管（gdt）

           晶闸管保护器（thyristor）

           瞬态电压抑止二极管（tvs 包括齐纳和雪崩二极管）

           放电隙

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2003年，全球电路保护元器件市场规模为38亿美元，其中过压保护占48%的市场，而过流保护占52%的市场。

保护用半导体器件主要是应用在过压保护中的晶闸管（有少量集成了过流功能）和tvs二极管。据估计，全球每年保护用半导体器件有13亿美元市场。其中tvs有5亿；闸流管有5亿；还有3亿属于集成功能的器件（其核心仍是tvs或晶闸管；少量是电压敏感型的mosfet晶体管阵列）
目前，主要的半导体保护器件供货商有：

st：    tvs 、thyristor、保护ic

onsemi：tvs 、thyristor、保护ic

protek：tvs 、thyristor、保护ic

vishay（收购 general semiconductor）： tvs、thyristor

littelfuse（收购semitron和 teccor）： tvs、thyristor

bourns（收购power innovation）：      tvs、thyristor、保护ic

semitec：   tvs

microsemi： tvs、thyristor

raychem：   thyristor

shindengen：thyristor

philips：   tvs、保护ic

电路保护元器件作为增值元件，单价较高，产品出货批量稳定。因而，这类产品对电子元器件制造商具有极大的吸引力。事实上，正是这种巨大的商业潜力使得原来非半导体公司如littelfuse、bourns、raychem等通过并购其他相关等方式介入半导体保护器件市场。

二  各类过压保护元件对比分析

事实上，由于各种元件其固有的优缺点，所以其应用领域各有侧重。在媒体上，各种元件的高端新品也层出不穷。整体上，不存在某种元件取代另一种元件的趋势；当然在某些局部应用领域，是有进退的，例如我公司生产的固体放电管（闸流管）芯片封装的成品在程控交换经配线架上替代原来大量应用的气体放电管。

三  tvs与thyristor之比较

通常而言，对于线路中的半导体过压保护器件，thyristor更多应用于电信设备中出现雷击和包含交流的瞬态现象的二级保护，提供了高效的凯发k8国际娱乐官网入口的解决方案，这些电信设备包括电话、传真机、调制解调器、程控交换与网络设备，以及xdsl、t1/e1及isdn等模拟和数字线路卡，thyristor的高压导通特性可以允许泻放更大的电流。

而tvs更多应用于电压较低的用户接口以及直接针对线路板中重点ic进行保护。例如：移动电话、pda、dc(数码相机)以及mp3等便携产品的底部连接器；以太网网络；视频线路的保护 ；sim卡数据线路保护；usb保护；音频/扬声器数据线路保护；按键/开关对于按键和开关回路。这些应用场合的电压较低或不允许突然的电压降落（如对于计算机内存，若突然掉电，可使内存数据丢失，导致死机），而tvs的过压钳位特性（使得过压限制在一个水平）更适合这些应用环境。

以电压划分，thyristor更多应用于50v以上环境，典型应用有200v的应用于通信线路；58v的应用程控交换机二次保护电路等。当然，也有低至15v的放电管。

tvs更多应用于30v以下环境，国外一般称为esd抑制器，随着各种手持设备（手机、pda、mp3等）所用电源电压的降低，要求保护器件的电压随之而低。目前国外顶级水平可以达到1.8v。大多数ic芯片端口集成的二极管只能抵御不超过2kv的esd。而tvs器件重要指标是所能抑止的静电电压如30kv、15kv(人体空气静电放电电压)、8kv（人体接触静电放电电压）。电压较高的tvs也比较多，但产品一般附加值较低，这类tvs一般以瞬态时峰值功率(8/20us)来表征放电能力，如1000w、1500w。

四  发展趋势

1        系列化：由于应用环境的多样化；tvs与thyristor各大生产厂家的产品系列都是非常全面。对于thyristor从耐电流能力分类一般有50a、75a、100a（均为10/1000us）三类，电压从50v至400v有十几个规格。对于tvs，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)和15kv(空气)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。电压从2v到500v有数十个规格。

2        封装小型化：几乎主流的应用均需要贴片的封装外形，闸流管主要是sma、smb封装；而对于多用在手持设备上的tvs外形封装尺寸的要求更为苛刻，因此一些先进的封装技术已开始应用，如倒装片技术、芯片级封装（封装外形只比芯片大20％）

3        集成化(集成分立器件)：在降低下一代便携式应用系统成本和尺寸的设计趋势下，需要用多功能保护ic来替代多个分立元件。对于闸流管相应出现了集成过压过流保护的器件，其核心还是一个闸流管，过压保护时不使用门极，过流保护时使用门极触发闸流管导通泻放电流。当然，这只是在局部应用，过流保护主要还是靠pptc。对于esd用途的tvs集成化已经非常普遍，简单的方式有根据保护的线路数，把多只管芯集成封装在一个器件里形成一个阵列，实现一组线路的保护。复杂一些的有把控向二极管与齐纳二极管封装在一起实现性能的提升；更复杂的，本身芯片中就设计有电容、电感，是真正的集成电路，功能上实现静电保护、emi滤波、抑止噪声等功能，成为全面的接口处理方案。

4        低电容化：普通水平tvs电容（1mhz，0.5v测试条件）在30pf以上，低电容器件可以达到10pf以下（最好可达3pf）。闸流管以50a产品为例（1mhz，0.5v测试条件）普通50~80pf，而低电容产品要达到30pf以下。在应用时，保护器件一般并联于被保护线路。理论上，任何寄生的电容会对被保护线路中传输的型号产生干扰。而且对于数据/信号频率越高的回路，二极管的电容对电路的干扰越大，形成噪声或衰减信号强度。因此需要根据回路的特性来决定所选器件的电容范围。例如usb1.1传输速度12mbps，普通电容水平的tvs即可使用；而usb2.0传输速度达到了480mbps，3pf的电容已经可以干扰数据传输的波形。