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線性斜率提高ESD保護效率

上網時間: 2014年09月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ESD  電路保護  動態電阻  線性斜率  SP3031-01ETG 

作者:Jim Colby,Littelfuse業務與技術開發經理

隨著高品質電子產品中的元件不斷縮小,電路變得越來越靈敏,加上由於在製造時採用深次微米矽晶製程,而使其越來越難以保護。瞬態過壓事件會導致軟故障、潛在錯誤或甚至引發災害。

靜電放電(ESD)就是常見的瞬態過壓。事實上,現在半導體廠商生產的IC通常配有最低水準的ESD保護,只是這種保護水準一般較低(500V)。而且目前用戶現場使用的ESD測試模型也與業界所見的迥然不同。

設計工程師必須注意的是,在產品的日常使用過程中,可能會出現較高的ESD威脅。例如,當人們從地毯上走過時,就會產生超過15kV的ESD,如果這種程度的ESD被釋放到USB埠,那麼將嚴重損壞晶片內的保護電路,進而損害保護電路所保護的電路系統,使USB因此失效,無法再度使用。

通用I/O埠ESD電流路徑。
圖1:通用I/O埠ESD電流路徑。

敏感IC所需的電路保護

一個典型的例子顯示,全球電子製造商與其元件供應商之間合作的密切程度,就是針對問題開發出解決方案的關鍵。去年,一家生產消費電子產品、行動通訊和家電產品的主要製造商尋求Littelfuse的援助以解決一個潛在的嚴重問題。他們發現關鍵的IC經常因為USB埠而損壞。發生問題的這顆IC主要提供Wi-Fi連接使液晶電視變得‘智慧’。該公司已針對多個不同的元件進行測試,只能取得最大3.5kV的系統ESD抗干擾。其他公司的ESD解決方法都無法滿足其保護的要求。在調查了設計以及瞭解目標ESD抗干擾程度後,Littelfuse確定能夠提供一種滿足該公司需要的元件。

Littelfuse在中國無錫設立的生產和測試中心為該公司確定了合適的解決方案。在進行應用級試驗過程中,Littelfuse展示動態電阻對於系統級性能的重要性。動態電阻是抑制器的有效電阻,同時也能抑制ESD脈衝。這是確定一款元件如何有限分流ESD脈衝的關鍵因素,最終可確定IC是否能得到保護。

另一種相應的方法是測試保護元件V-I曲線是否具有較緩坡度以及較低的動態電阻。透過測試具有各種動態電阻的不同現成元件,可確定動態電阻約為0.25Ω(以傳輸線脈衝TLP測定)的元件足以保護IC。最終,Littelfuse確認可按需要的波形係數設計一種新型元件,其動態電阻十分接近相應的要求,同時電容器又足夠低,可以保持USB埠訊號的完整性。

動態電阻圖示。
圖2:動態電阻圖示。

低電容ESD保護元件

4個月後,Littelfuse成功開發出SP3031-01ETG。它包含2個低電阻導向二極體、一個箝位TVS二極體,三款元件全都整合在大小僅為1.0×0.6mm的0402封裝中。

通常,電容器和動態電阻彼此互不相容。二極體越大,電容器就越大,但額外區域提供的動態電阻會比較低。因此,有很多時候,客戶只得捨棄訊號完整性(即高電容器)以取得較低的動態電阻(即較好的箝位)。在這種特殊情況下,高速USB可以大約1~2pF的電容執行,但客戶的目標是小於1pF,以確保實現最佳的訊號完整性。除此之外,該目標還要求較低動態電阻值,而這一般常見於電容器為15~20pF的產品中。這種新的解決方案要求使用專利半導體矽晶製程以及矽晶設計技術。

事實上,如果客戶能夠與其元件供應商在其位於中國的製造地會面,親眼目睹測試的進行以及元件與整個系統的相互配合情況更好。這是一次可以更有效瞭解單個ESD元件,以及整個系統ESD抗干擾之間關係與性能的機會。此外,透過此次分析,我們還可得出結論:為了保護60吋智慧電視免於ESD干擾,可採用0.6mm2的矽晶。

(參考原文:The slope of the line is key to ESD protection,by Jim Colby)





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