一种电压钳位组合器件

技术领域

本发明属于半导体器件领域，特别涉及一种电压钳位组合器件。

背景技术

TVS即瞬态电压抑制器，是一种常用的电路保护核心元器件。然而，由于其保护原理的限制，性能再优异的末端TVS也无法消除残压，最多只能降低残压提高其性能。而对某些敏感电路而言，即使再小的残压也具有危害。因此，如何把TVS引起的残压消除是本领域亟需解决的技术难题。

发明内容

为了消除由TVS引起的电压振荡现象，从而避免残压对内部电路造成损坏，本发明公开了一种电压钳位组合器件,在TVS二极管的一侧集成高带外抑制大功率滤波器，通过合理地设计滤波器的截止频率与矩形系数，对TVS残压进行精确滤除，确保被保护端口无残压影响。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种电压钳位组合器件，包括滤波器和末端TVS，且所述滤波器的第一级电容的上极板或者第一级电感的上电极为整个组合器件的端口I，所述滤波器的第三级电容的上极板或者第二级电感的上电极为整个组合器件的端口II，所述末端TVS与所述滤波器的第三级电容或者第二级电感并联，且所述末端TVS的阴极接端口II，所述末端TVS的阳极接地。

优选地，所述滤波器为低通滤波器，所述低通滤波器包括第一级电容、第二级电容、第三级电容、第一级耦合电感和第二级耦合电感，其中，所述第一级电容的上极板为整个组合器件的端口I，下极板接地，所述第一级电容的上极板与第一级耦合电感的一端相连，所述第一级耦合电感的另一端分别连接所述第二级电容的上极板和所述第二级耦合电感的一端，所述第二级电容的下极板接地，所述第二级耦合电感的另一端连接第三级电容的上极板连接，所述第三级电容的下极板接地，所述末端TVS的阳极接第三级电容的下极板后接地，所述末端TVS的阴极接第三级电容的上极板为整个组合器件的端口II。

优选地，所述低通滤波器还包括第四级电容和第五级电容，其中，所述第四级电容与所述第一级耦合电感并联，所述第五级电容与所述第二级耦合电感并联。

优选地，所述第一级电容、第二级电容、第三级电容、第四级电容和第五级电容均为高耐压电容，其电压承受能力均≥500V。

优选地，所述滤波器为高通滤波器，所述高通滤波器包括第一级电感、第二级电感、耦合电容，其中，所述第一级电感的上电极为整个组合器件的端口I，下电极接地，所述端口I同时与耦合电容的一端相连，耦合电容的另一端作为整个组合器件的端口II，所述端口II同时与所述第二级电感的上电极相连，所述第二级电感的下电极接地，所述末端TVS的阳极与所述第二级电感的下电极连接后接地，所述末端TVS的阴极与所述第二级电感的上电极连接。

优选地，所述高通滤波器还包括第三级耦合电感，且所述第三级耦合电感与所述耦合电容并联。

优选地，所述耦合电容为高耐压电容，其电压承受能力≥500V。

有益效果：本发明公开了一种电压钳位组合器件，具有如下优点：

（1）本发明中，当外界静电（ESD）、浪涌信号或者多脉冲EFT信号进入端口II时，末端TVS会率先发生击穿，从而将电压波形由原来的千伏级脉冲转变为百伏级脉冲，使得该脉冲无法对滤波器部分造成损伤。

（2）本发明中，末端TVS左侧设置的滤波器会将TVS产生的震荡残压以及落在滤波器阻带的频率分量全部滤除滤除，使得整个组合器件的端口I电压保持平稳，从而保证端口I的信号纯净，很好的保护了与端口I相连的电路或系统，适用于射频集成电路的瞬态保护。

（3）本发明可以通过对滤波器的设计，控制滤波器的通带范围，使得在滤波器通带范围内的高频信号不会受到影响，大大提高了系统的静电保护和抗干扰能力。

（4）相比于传统单TVS保护，本发明的组合器件使残压更小，且不会影响正常信号的传输，大大提高了系统的静电保护和抗干扰能力，性能比传统TVS更为出色。

附图说明

图1为实施例1的新型巴特沃斯滤波器与TVS组合器件原理图；

图2为实施例2的新型LC椭圆函数滤波器与TVS组合器件原理图；

图3为实施例2中新型LC椭圆函数滤波器的S21曲线；

图4为实施例3中新型LC巴特沃斯滤波器与TVS组合器件原理图；

图5为实施例3中新型巴特沃斯高通滤波器的S21曲线；

图6为实施例4中新型LC逆切比雪夫滤波器与TVS组合器件原理图；

图7为实施例4中新型逆切比雪夫高通滤波器的S21曲线；

图8为TVS在脉冲ESD下的电压响应（TA=25°，修正了20db衰减器1M欧姆计输入阻抗）；

图中：第一级电容01、第二级电容02、第三级电容03、第四级电容04、第五级电容05、第一级耦合电感11、第二级耦合电感12、第三级耦合电感13、第一级电感21、第二级电感22、耦合电容31、末端TVS41。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种具有低通滤波功能的电压钳位组合器件，如图1所示，包括低通滤波器和末端TVS41，低通滤波器为新型巴特沃斯滤波器，具体包括第一级电容01、第二级电容02、第三级电容03、第一级耦合电感11和第二级耦合电感12，其中，第一级电容01的上极板为整个组合器件的端口I，下极板接地，第一级电容01的上极板与第一级耦合电感11的一端相连，第一级耦合电感11的另一端分别连接第二级电容02的上极板和第二级耦合电感12的一端，第二级电容02的下极板接地，第二级耦合电感12的另一端连接第三级电容03的上极板连接，第三级电容03的下极板接地，末端TVS41的阳极（即P型区）接第三级电容03的下极板后接地，末端TVS41的阴极（即N型区）接第三级电容03的上极板为整个组合器件的端口II,即为新型巴特沃斯滤波器与TVS的组合器件。

本实施例1中，所有电容器件均为高耐压电容，其电压承受能力均≥500 V。

实施例2

一种具有低通滤波功能的电压钳位组合器件，如图2所示，在实施例1的基础上，增加了第四级电容和第五级电容，且在新型巴特沃斯滤波器的基础上，第四级电容04与第一级耦合电感11并联，第五级电容05与第二级耦合电感12并联，即构成新型LC椭圆函数滤波器。本实施例2中，末端TVS41的阳极（即P型区）接第五级电容05的下极板后接地，末端TVS41的阴极（即N型区）接第五级电容05的上极板作为整个组合器件的端口II，即为新型LC椭圆函数滤波器与TVS组合器件。

本实施例2中，所有电容器件均为高耐压电容，其电压承受能力均≥500 V。

本实施例2的工作原理如下：当小于1Ghz的射频信号从组合器件的输入端传输至输出端时，低通滤波器（LPF, 巴特沃斯滤波器和LC椭圆函数滤波器）会使该信号实现非常低的插入损耗从而使该信号高质量通过。而当具有破坏性的高速高压电应力（ESD，EFT等）从组合器件的端口II进入时，末端TVS会率先被击穿，从而将电压波形由原来的千伏级脉冲转变为百伏级脉冲，从而将电应力（ESD，EFT等）的幅值峰值钳位在100 V左右。如图8所示为TVS在脉冲ESD下的电压响应示意图。从图8中可看出，高性能TVS虽会将其钳位在安全水平，但TVS的寄生电容电感会使其在端口产生高频震荡，根据经验，该电压震荡频率一般大于1Ghz。因此，大量高频分量的残压会进入低通滤波器（LPF）。如图3所示为实施例2中新型LC椭圆函数滤波器的S21曲线，从图3中可以看出，本实施例2中的低通滤波器（LPF）不允许超过1Ghz的信号通过，因此该部分高频分量的残压会被低通滤波器（LPF）滤除，从而保证端口I不受任何信号的影响，从而大大提高了系统的静电保护和抗干扰能力，性能比传统单TVS保护更为出色。

实施例3

一种滤波电压钳位组合器件,如图4所示，包括高通滤波器和末端TVS，其中，高通滤波器为LC巴特沃斯滤波器，具体包括第一级电感21、第二级电感22、耦合电容31和末端TVS41，其中，第一级电感21的上电极为整个组合器件的端口I，下电极接地，端口I同时与耦合电容31的一端相连，耦合电容31的另一端作为整个组合器件的端口II，端口II同时与第二级电感22的上电极相连，述第二级电感22的下电极接地，即构成新型LC巴特沃斯滤波器，末端TVS41的阳极（即P型区）与第二级电感22的下电极连接后接地，末端TVS41的阴极（即N型区）与第二级电感22的上电极连接，即为新型LC巴特沃斯滤波器与TVS的组合器件。

本实施例3中，耦合电容为高耐压电容，其电压承受能力≥500 V。

实施例4

一种电压钳位组合器件,如图6所示，在实施例3的基础上，增加了第三级耦合电感13，即高通滤波器的耦合电容31的两端并联第三级耦合电感13，形成新型LC逆切比雪夫滤波器，末端TVS41的阳极（即P型区）与第二级电感22的下电极连接后接地，末端TVS41的阴极（即N型区）与第二级电感22的上电极连接，即构成新型LC逆切比雪夫滤波器与TVS的组合器件。

本实施例4中，耦合电容为高耐压电容，其电压承受能力≥500 V。

实施例3和4的其工作原理如下：

当大于2.5Ghz的射频信号从端口I传输至端口II时，高通滤波器（HPF）会使该信号实现非常低的插入损耗从而实信号高质量通过，同时本发明的高通滤波器（HPF）通带均为平坦化响应。当具有破坏性的高速高压电应力（ESD，EFT等）从端口II进入时，末端TVS会率先击穿，将电压波形由原来的千伏级脉冲转变为百伏级别脉冲，从而将电应力的幅值峰值钳位在100 V左右。如图8所示为TVS在脉冲ESD下的电压响应。从图8中可以看出，高性能TVS虽会将其钳位在安全水平，但TVS的寄生电容电感会使其在端口产生高频振荡，因此大量高频分量的残压会进入高通滤波器（HPF）。图5和图7所示分别为实施例3和4的滤波器的S21曲线，从图中可以看出，组合器件中的高通滤波器不允许低于2.5Ghz的信号通过，而根据经验，TVS的残压振荡频率约为1Ghz左右，因此该部分高频分量的残压会被HPF模块滤除，使得整个组合器件的端口I的电压保持平稳，保证其不受任何信号的影响，很好的保护与端口I相连的电路或系统,从而大大提高了系统的静电保护和抗干扰能力，性能比传统单TVS保护更为出色。

本发明提出的组合器件结构除了实施例1、2、3、4外，还可与各种其他响应的低通/高通滤波器（如切比雪夫，椭圆函数等）组合，从而避免残压对内部电路造成损坏。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。