保護電路用半導體器件

Semiconductor Device for Protection circuit

保護元器件用以對昂貴的電路提供保護，以免受到突發的過高電壓或過大電流損害。利用這些元器件，可使產品具有抗雷電浪涌（SURGE）、靜電放電（ESD）、電瞬變（EFT），電感負載切換以及交流電源波動的能力。使得產品更加耐用可靠，從而降低了產品的修理、維護費用。相關資料表明：全球每年因靜電損壞的電子設備的損失高達100多億美元。一些學者研究表明在靜電防護中每投入1元，其回報達到95元。現在，線路防護能力已由過去的非限制性標準成了強制性標準，制造商必須使他們的產品滿足ESD 指標的最低水平，否則就不能把他們的產品售往歐盟等地區。

一  行業狀況

目前市場上流行的保護器件主要有以下：

過流保護： 熔絲管（玻璃型和陶瓷型）

           聚合物正溫度熱敏電阻（PPTC）－可復式保險絲

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過壓保護： 金屬氧化物壓敏電阻（MOV）

           氣體放電管（GDT）

           晶閘管保護器（Thyristor）

           瞬態電壓抑止二極管（TVS 包括齊納和雪崩二極管）

           放電隙

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2003年，全球電路保護元器件市場規模為38億美元，其中過壓保護占48%的市場，而過流保護占52%的市場。

保護用半導體器件主要是應用在過壓保護中的晶閘管（有少量集成了過流功能）和TVS二極管。據估計，全球每年保護用半導體器件有13億美元市場。其中TVS有5億；閘流管有5億；還有3億屬于集成功能的器件（其核心仍是TVS或晶閘管；少量是電壓敏感型的MOSFET晶體管陣列）
目前，主要的半導體保護器件供貨商有：

ST：    TVS 、Thyristor、保護IC

OnSemi：TVS 、Thyristor、保護IC

Protek：TVS 、Thyristor、保護IC

Vishay（收購 General Semiconductor）： TVS、Thyristor

Littelfuse（收購Semitron和 Teccor）： TVS、Thyristor

Bourns（收購Power Innovation）：      TVS、Thyristor、保護IC

Semitec：   TVS

Microsemi： TVS、Thyristor

Raychem：   Thyristor

Shindengen：Thyristor

Philips：   TVS、保護IC

電路保護元器件作為增值元件，單價較高，產品出貨批量穩定。因而，這類產品對電子元器件制造商具有極大的吸引力。事實上，正是這種巨大的商業潛力使得原來非半導體公司如Littelfuse、Bourns、Raychem等通過并購其他相關等方式介入半導體保護器件市場。

二  各類過壓保護元件對比分析

事實上，由于各種元件其固有的優缺點，所以其應用領域各有側重。在媒體上，各種元件的高端新品也層出不窮。整體上，不存在某種元件取代另一種元件的趨勢；當然在某些局部應用領域，是有進退的，例如我公司生產的固體放電管（閘流管）芯片封裝的成品在程控交換經配線架上替代原來大量應用的氣體放電管。

三  TVS與Thyristor之比較

通常而言，對于線路中的半導體過壓保護器件，Thyristor更多應用于電信設備中出現雷擊和包含交流的瞬態現象的二級保護，提供了高效的解決方案，這些電信設備包括電話、傳真機、調制解調器、程控交換與網絡設備，以及xDSL、T1/E1及ISDN等模擬和數字線路卡，Thyristor的高壓導通特性可以允許瀉放更大的電流。

而TVS更多應用于電壓較低的用戶接口以及直接針對線路板中重點IC進行保護。例如：移動電話、PDA、DC(數碼相機)以及MP3等便攜產品的底部連接器；以太網網絡；視頻線路的保護 ；SIM卡數據線路保護；USB保護；音頻/揚聲器數據線路保護；按鍵/開關對于按鍵和開關回路。這些應用場合的電壓較低或不允許突然的電壓降落（如對于計算機內存，若突然掉電，可使內存數據丟失，導致死機），而TVS的過壓鉗位特性（使得過壓限制在一個水平）更適合這些應用環境。

以電壓劃分，Thyristor更多應用于50V以上環境，典型應用有200V的應用于通信線路；58V的應用程控交換機二次保護電路等。當然，也有低至15V的放電管。

TVS更多應用于30V以下環境，國外一般稱為ESD抑制器，隨著各種手持設備（手機、PDA、MP3等）所用電源電壓的降低，要求保護器件的電壓隨之而低。目前國外頂級水平可以達到1.8V。大多數IC芯片端口集成的二極管只能抵御不超過2KV的ESD。而TVS器件重要指標是所能抑止的靜電電壓如30KV、15KV(人體空氣靜電放電電壓)、8KV（人體接觸靜電放電電壓）。電壓較高的TVS也比較多，但產品一般附加值較低，這類TVS一般以瞬態時峰值功率(8/20us)來表征放電能力，如1000W、1500W。

四  發展趨勢

1        系列化：由于應用環境的多樣化；TVS與Thyristor各大生產廠家的產品系列都是非常全面。對于Thyristor從耐電流能力分類一般有50A、75A、100A（均為10/1000us）三類，電壓從50V至400V有十幾個規格。對于TVS，為了滿足IEC61000-4-2國際標準，TVS二極管必須達到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊，有的半導體生產廠商在自己的產品上使用了更高的抗沖擊標準。電壓從2V到500V有數十個規格。

2        封裝小型化：幾乎主流的應用均需要貼片的封裝外形，閘流管主要是SMA、SMB封裝；而對于多用在手持設備上的TVS外形封裝尺寸的要求更為苛刻，因此一些先進的封裝技術已開始應用，如倒裝片技術、芯片級封裝（封裝外形只比芯片大20％）

3        集成化(集成分立器件)：在降低下一代便攜式應用系統成本和尺寸的設計趨勢下，需要用多功能保護IC來替代多個分立元件。對于閘流管相應出現了集成過壓過流保護的器件，其核心還是一個閘流管，過壓保護時不使用門極，過流保護時使用門極觸發閘流管導通瀉放電流。當然，這只是在局部應用，過流保護主要還是靠PPTC。對于ESD用途的TVS集成化已經非常普遍，簡單的方式有根據保護的線路數，把多只管芯集成封裝在一個器件里形成一個陣列，實現一組線路的保護。復雜一些的有把控向二極管與齊納二極管封裝在一起實現性能的提升；更復雜的，本身芯片中就設計有電容、電感，是真正的集成電路，功能上實現靜電保護、EMI濾波、抑止噪聲等功能，成為全面的接口處理方案。

4        低電容化：普通水平TVS電容（1MHz，0.5V測試條件）在30pF以上，低電容器件可以達到10pF以下（最好可達3pF）。閘流管以50A產品為例（1MHz，0.5V測試條件）普通50~80pF，而低電容產品要達到30pF以下。在應用時，保護器件一般并聯于被保護線路。理論上，任何寄生的電容會對被保護線路中傳輸的型號產生干擾。而且對于數據/信號頻率越高的回路，二極管的電容對電路的干擾越大，形成噪聲或衰減信號強度。因此需要根據回路的特性來決定所選器件的電容范圍。例如USB1.1傳輸速度12Mbps，普通電容水平的TVS即可使用；而USB2.0傳輸速度達到了480Mbps，3pF的電容已經可以干擾數據傳輸的波形。