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測試與測量  

ESD保護元件的主要特性參數分析及典型應用

上網時間: 2004年11月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ESD  ONSEMI  保護  靜電保護  瞬態保護 

ESD保護對高密度、小型化和具有複雜功能的電子設備而言具有重要意義。本文探討了採用TVS二極體防止ESD時,最小擊穿電壓和擊穿電流、最大反向漏電流和額定反向切斷電壓等參數對電路的影響及選擇準則,並針對可攜消費電子設備、視訊轉換盒、以及個人電腦中的視訊線路保護、USB保護和RJ-45介面等介紹了一些典型應用。圖1:NZQA系列SOT-53封裝應用。

隨著行動產品、印表機、PC,DVD、視訊轉換盒(STB)等產品的迅速發展,消費者正要求越來越先進的性能。半導體元件日益趨向小型化、高密度和功能複雜化,特別是像時尚消費電子和可攜式產品等對主板面積要求嚴格的應用很容易受到靜電放電的影響。一些採用了深次微米製程和甚精細線寬佈線的複雜半導體功能電路,對電路瞬變過程的影響感應更強烈,而這都將突顯上述問題。

ESD保護原理

電路保護元件存在幾種技術,當選擇電路保護元件時,若設計師選擇不當的保護元件將只能提供錯誤的安全概念。電路保護元件的選擇應根據所要保護的佈線情況、可用的電路板空間以及被保護電路的電特性來決定。此外,了解保護元件的特性知識也非常必要,需要考慮的重要因素之一是元件的鉗位電壓。所謂鉗位電壓是ESD元件中跨越瞬變電壓消除器(TVS)上的電壓,它是被保護IC的應變電壓。

由於利用先進製程技術製造的IC電路內氧化層比較薄,柵極氧化層更易受到損害。這意味著較高的鉗位電壓將在被保護IC元件上產生較高的應變電壓,並且增加了失效的概率。圖2: RJ-45數據線保護。

很多保護元件都被設計成可吸收大量能量,由於元件結構或設計上的原因也導致其具有很高的鉗位電壓。同時由於變阻器的鉗位電壓太高,使他們不能提供有效的ESD保護。此外,由於變阻器的高電容器他們也不能為高速數據線路提供保護。TVS二極體正是為解決此問題而產生的,它已成為保護可攜電子設備的關鍵性技術。

TVS二極體是專門設計用於吸收ESD能量並且保護系統免遭ESD損害的固態元件。如果應用得當,TVS二極體將限制跨在被保護元件上的電壓剛好高過額定工作電壓,但是卻遠低於破壞閾值電壓。

TVS相關參數

處理瞬時脈衝對元件損害的最好辦法是將瞬時電流從感應元件引開。TVS二極體在線路板上與被保護線路並聯,當瞬時電壓超過電路正常工作電壓後,TVS二極體便產生雪崩,提供給瞬時電流一個超低電阻通路,其結果是瞬時電流透過二極體被引開,避開被保護元件,並且在電壓恢復正常值之前使被保護迴路一直保持截止電壓。當瞬時脈衝結束以後,TVS二極體自動回覆高阻狀態,整個迴路進入正常電壓。許多元件在承受多次衝擊後,其參數及性能會產生退化,而只要工作在限定範圍內,二極體將不會產生損壞或退化。

從以上過程可以看出,在選擇TVS二極體時,必須注意以下幾個參數的選擇:


1. 最小擊穿電壓VBR和擊穿電流I R圖3:視訊線路保護。 。VBR是TVS最小的擊穿電壓,在25℃時,低於這個電壓TVS是不會產生雪崩的。當TVS流過規定的1mA電流(I R )時,加於TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓V BR 。按TVS的VBR與標準值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。對於5%的VBR來說,V WM =0.85VBR;對於10%的VBR來說,V WM =0.81VBR。為了滿足IEC61000-4-2國際標準,TVS二極體必須達到可以處理最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD衝擊,部份半導體廠商在自己的產品上使用了更高的抗衝擊標準。對於某些有特殊要求的可攜設備應用,設計者可以依需要挑選元件。

2. 最大反向漏電流ID和額定反向切斷電壓VWM。VWM是二極體在正常狀態時可承受的電壓,此電壓應大於或等於被保護電路的正常工作電壓,否則二極體會不斷截止迴路電壓;但它又需要盡量與被保護迴路的正常工作電壓接近,這樣才不會在TVS工作以前使整個迴路面對過壓威脅。當這個額定反向切斷電壓VWM加於TVS的兩極間時它處於反向切斷狀態,流過它的電流應小於或等於其最大反向漏電流ID。圖4:SIM卡保護。

3. 最大鉗位電壓VC和最大峰值脈衝電流I PP 。當持續時間為20ms的脈衝峰值電流IPP流過TVS時,在其兩端出現的最大峰值電壓為VC。V C 、IPP反映了TVS的突波抑制能力。VC與VBR之比稱為鉗位因子,一般在1.2~1.4之間。VC是二極體在截止狀態提供的電壓,也就是在ESD衝擊狀態時通過TVS的電壓,它不能大於被保護迴路的可承受極限電壓,否則元件面臨被損傷的危險。

4. Pppm額定脈衝功率,這是基於最大截止電壓和此時的峰值脈衝電流。對於手持設備,一般來說500W的TVS就足夠了。最大峰值脈衝功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈衝功耗值。在特定的最大鉗位電壓下,功耗PM越大,其突波電流的承受能力越大。在特定的功耗PM下,鉗位電壓VC越低,其突波電流的承受能力越大。另外,峰值脈衝功耗還與脈衝波形、持續時間和環境溫度有關。而且,TVS所能承受的瞬態脈衝是不重覆的,元件規定的脈衝重覆頻率(持續時間與間歇時間之比)為0.01%。如果電路內出現重覆性脈衝,應考慮脈衝功率的累積,有可能損壞TVS。

5. 電容器量C。電容器量C是由TVS雪崩結截面決定的,是在特定的1MHz頻率下測得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比,C太大將使訊號衰減。因此,C是數據介面電路選用TVS的重要參數。電容器對於數據/訊號頻率越高的迴路,二極體的電容器對電路的干擾越大,形成噪音或衰減訊號強度,因此需要根據迴路的特性來決定所選元件的電容器範圍。高頻迴路一般選擇電容器應盡量小(如LCTVS、低電容器TVS,電容器不大於3pF),而對電容器要求不高的迴路電容器選擇可高於40pF。圖5:上行ESD保護。

ESD應用


1. 底部連接器的應用

底部連接器設計廣泛應用在行動消費性產品上,目前市場上應用產品主要為行動電話、PDA、DSC(數位相機)以及MP3等可攜產品。

由於是直流迴路,可選用高電容器元件。此埠可能會受到高能量的衝擊,可以選用整合了TVS和過流保護功能的元件。

如圖1所示,是可攜產品的底部連接器保護電路的示意圖,其中的數據線保護IC為NZQA5V6XV5T1、NZQA6V2XV5T1、NZQA6V8XV5T1、NZQA8V2XV5T1、NZQA5V6AXV5T1、NZQA6V8AXV5T1、MSQA6V1W5T2、SMF05T1和NSQA6V8AW5T2。

以上產品都帶4個單相獨立線路ESD保護,其中MSQA系列、NSQA系列和SMF05的封裝形式是SC-88A,NZQA系列的封裝形式是SOT-553。其中NZQA5V6XV5是5.6V單向式TVS保護元件;NZQA6V2XV5是6.2V單向式TVS保護元件;NZQA6V8XV5是6.8V單向式TVS保護元件;NZQA6V8AXV5是6.8V單向式、低電容器TVS保護元件;NUP4102XV6是14V雙向式、低電容器TVS。這些SOT5xx封裝的TVS元件均針對260℃回焊溫度處理製程生產,符合100%無鉛和靜電放電保護的要求,比傳統的SC88封裝減少電路板空間達36%,降低厚度40%,適合用於對電路板空間要求嚴格的可攜設備,如手機、數位相機、MP3播放器

2. RJ-45 (10/100M乙太網路)

RJ-45介面廣泛應用在網路連接的介面設備上,典型的應用就是10/100M乙太網路。

如圖2所示,RJ-45數據線保護主要應用了安森美公司的低電容器瞬態電壓抑制二極體-SL05,工作電壓是5V。實際上該公司有一系列的SLXX產品,產品從SL05到SL24,工作電壓覆蓋5V、12V、15V、24V。符合IEC 61000-4-2(ESD) 15KV(空氣) 8KV(接觸)/ IEC 61000-4-4(EFT)40A(5/50ns)/IEC 61000-4-5(Lightning)12A(8/20us)標準,除了用在LAN/WAN設備上,還適合用於高速數據線保護,行動電話和USB埠的保護。

3. 視訊線路的保護圖6:下行ESD保護。

目前視訊常見的輸出埠設計有D-SUB(如圖3)、DVI(28線)、SCART(19線)和D-TERMINAL(主要應用於日系產品)。視訊數據線具有高數據傳輸率,數據傳輸率高達480Mbps,有的視訊數據傳輸率達到1G以上,因而要選擇低電容器LCTVS,它通常是將一個低電容器二極體與TVS二極體串聯,以降低整個線路的電容器(可低於3pF),達到高速率迴路的要求。ONSEMI半導體公司的SRDA05-4具有良好的低電容器特性,能夠提供4路ESD保護,而它的後繼產品SRDA05-6能夠提供多達6路ESD保護。SRDA05-X系列產品適用於所有高速通訊線路的保護。

4. SIM卡數據線路保護

SIM卡數據線路保護一直是各個公司的產品重點,而且專門為此類埠設計集ESD(TVS)/EMI/RFI防護於一個晶片的元件,展現了高度整合特性。

在針對不同用途選擇元件時,要避免使元件工作在其設計參數極限附近,還應根據被保護迴路的特徵及可能承受ESD衝擊的特徵選用反應速度足夠快、感應度足夠高的元件,這對於有效發揮保護元件的作用十分關鍵,另外整合了其它功能的元件也應當首先考慮。

眾多半導體廠商提供了多種不同的TVS二極體封裝形式,尤其是像SOT23和SC-70,以及與晶片同等大小的覆晶晶片之類的微型封裝,在板上只佔約4.8mm2的位置,卻可以同時保護多個線路。最近的許多新產品更是適應可攜設備高整合度、小型化要求,將EMI/RFI/ESD保護整合在一個元件中,不但可以有效縮小空間,還大幅減少了成本,降低了元件採購成本和加工成本,對於同時需要這幾種保護功能的埠來說,可謂設計者的首選(圖4)。

5. USB保護

一般USB的ESD保護分上行(圖5)和下行(圖6)兩種情況。針對USB 1.1的ESD保護下行主要採用了NUF2101,上行ESD保護採用STF202或者NUF2221W1T2。這些產品即能滿足USB線路終端的ESD保護,還具有良好的濾波功能

6. 音訊/揚聲器數據線路保護

在音訊數據線路保護方面(圖6),由於音訊迴路的訊號速率比較低,對元件電容器的要求不太高,100pF左右都是可以接受的。有的手機設計中將耳機和麥克風合在一起,有的則是分離線路。前一種情況可以選擇單路TVS,而後一種情況如果兩個迴路是鄰近的,則可以選用多工TVS陣列,只用一個元件就能完成兩個迴路的保護。圖7:音訊/揚聲器數據線路保護。

7. 按鍵/開關

對於按鍵和開關迴路,這些迴路的數據率很低,對元件的電容器沒有特殊要求,用普通的TVS陣列都可以勝任。

本文總結

以上的產品主要是針對數據線路的ESD保護。在表1中所列元件中有四款是專為為USB、乙太網路、防火牆和其他高速數據應用設計濾波器。這些元件符合USB的所有要求,包括電磁干擾濾波和上行/下行埠的線路終端。這些新型整合元件均能替代目前需採用12個元件的分離元件解決方案。八款新型元件提供靜電放電(ESD)保護,具有業界最低電容器。這些新型保護元件均通過了15kV接觸放電測試,測試標準高於IEC61000的8kV ESD標準。這些元件具有1.5皮法電容器典型值,確保了數據線速度以及數據完整性。

此外,對於可攜式設備來說,各類積體電路的複雜性和精密度的提高使它們對ESD也更加感應,以往的通用迴路設計也不再適合。合理的PCB佈局最重要的是要在使用TVS二極體保護ESD損害的同時避免自感。ESD設計很可能會在迴路中引起寄生自感,會對迴路有強大的電壓衝擊,導致超出IC的承受極限而造成損壞。負載產生的自感電壓與電源變化強度成正比,ESD衝擊的瞬變特徵易於誘發高強自感。減少寄生自感的基本原則是盡可能縮短分流迴路,必須考慮到包括接地迴路、TVS和被保護線路之間的迴路,以及由介面到TVS的通路等所有因素。所以,TVS元件應與介面盡量接近,與被保護線路盡量接近,這樣才會減少自感耦合到其它鄰近線路上的機會。

在電路板設計中還應注意以下幾點:盡量避免在保護線路附近走比較關鍵的訊號線,盡量將介面安排在同一個邊上;採用高整合度元件,二極體陣列不但可以大幅節約線路板上的空間,而且減少了由於迴路複雜可能誘發的寄生性線路自感的影響;避免被保護迴路和未實施保護的迴路並聯,將介面訊號線路和接地線路直接接到保護元件上,然後再進入迴路的其它部份,將復位、中斷、控制訊號遠離輸入/輸出口,遠離PCB的邊緣;各類訊號線及其饋線所形成的迴路所環繞面積要盡量小,必要時可考慮改變訊號線或接地線的位置;在可能的地方都加入接地點。

作者:杜玉廣


世平集團公司


Email: atumudyg@163.com





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