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電路保護:淺談TLP量測TVS二極體

上網時間: 2013年10月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:靜電放電  ESD  TLP  TVS  二極體 

作者:黃正宇,台灣英飛凌科技射頻及保護元件應用部門經理

在當今競爭激烈的市場,有效的靜電放電(ESD)保護已成為設計一款可靠系統時不可分割的一部分。使用者通常會認為因為ESD造成的電子產品故障是一種不良品,並且會增加使用者回原廠維修的可能性。ESD問題還可能會嚴重影響公司的形象與其盈利能力。可靠的電子產品會在ESD容易進入點使用保護元件並且通過IEC 61000-4-2 的靜電放電測試。然而,一些傳統的方法仍依靠嘗試錯誤法來設計ESD保護的方法。

嘗試錯誤法僅能告知使用ESD保護方法的結果是通過或者是無法通過IEC 61000-4-2的靜電放電測試,無法提供ESD保護元件的性能和保護電路電性特性,以進行更有效的設計變更和測試結果的再利用。嘗試錯誤法可能需要多個測試循環直到ESD問題解決,許多重複的ESD性能測試會增加測試成本和耽誤到新電子產品上市的時間。因此,非常快速的傳輸線脈衝(Transmission Line Pulse;TLP)成為選擇適當ESD保護元件的理想方法,使得嘗試錯誤法不再被視為唯一的解決方法。

TLP量測在搭配傳統ESD測試結果,可迅速查知電路的設計弱點,減少開發時間並降低開發成本。非常快速的傳輸線脈衝採用高電流脈衝測試以確定保護元件和被保護電路的電壓和電流在時域的特性。在早期電路設計階段,TLP提供了一個快速、精確和成本最低的可行建置策略方法,以提高在系統上的ESD耐受性,同時滿足當今競爭激烈的市場需求。

TLP量測系統

在1985年由英特爾(Intel)的T. Maloney和N. Khurana第一次介紹TLP量測系統後,在隨後的幾年中持續不斷地發展。Barth Electronics在1990年代中期推出第一個商用TLP系統,並介紹了測量系統的概念與校準。目前已成為電路設計工程師研究ESD保護電路的特性、進行ESD設計和量測ESD保護元件性能的重要依據。如圖1所示的簡易脈衝量測設定,待測元件(DUT)在短時間的脈衝波形下進行電壓和電流特性量測。這種短時間脈衝波形用來模擬作用於DUT上的IEC 61000-4-2 靜電放電脈衝。TLP除了能了解ESD保護元件的實體特性以外,另一方面,它也能在晶片製作完成初期先行預測產品靜電放電的承受能力,從而降低封裝與測試成本以及增加產品的研發效率。電壓波形VDUT(t)和電流波形IDUT(t)在DUT處使用高速數位示波器進行單次記錄。一般情況下,整個時域的波形訊息對於了解DUT瞬態特性是有價值的。

簡易脈衝量測設定
圖1:簡易脈衝量測設定

尤其是用於ESD保護電路的特性、進行ESD設計和量測ESD保護元件的性能方面,脈衝IV特性是很重要的(圖2)。用於ESD設計時,脈衝IV特性也稱為TLP特性。每個電壓和電流波形的平均值(V和I)是計算t1和t2之間窗口的平均值。對於所有脈衝振幅,每個電壓和電流波形的平均值被收集在脈衝IV特性線圖上。脈衝IV特性線圖上的TLP電壓V標示在x軸和脈衝IV特性線圖上的TLP電流I則是標示在y軸上。此圖也是表示DUT的IV特性曲線。

TLP特性曲線
圖2:TLP特性曲線

5V TVS二極體的TLP特性曲線
圖3:5V TVS二極體的TLP特性曲線

一般在每個脈衝波形量測後,一個dc漏電流測量也會緊接著完成,並將dc漏電流的測量結果疊加到TLP特性曲線上同時顯示。特性曲線圖下方的x軸和左邊的y軸表示傳統的TLP電壓和電流。在特性曲線圖上方的x軸和左邊的y軸則表示所量測到的dc漏電流(圖3)。

TLP量測結果

圖4(a)的保護裝置在(Vt1,It1)有一個簡單的t1臨界點。超過t1臨界點,保護裝置會形成一個低阻抗通道用來排出ESD瞬間放電的能量。在逆向方向,可觀察到逆向動態電阻Rdyn,rev。在順向方向,則可觀察到順向動態電阻Rdyn,fwd。圖4(b)則表示一個snapback的保護裝置。snapback的保護裝置在(Vt1,It1)有一個t1觸發點。在ESD瞬間放電能量持續地進入保護裝置時會使得保護裝置的特性曲線進入snapback區域。此snapback區域在(Vh,Ih)有一個holding點,ESD瞬間放電能量再持續地進入保護裝置時亦會使得保護裝置的特性曲線形成一個低阻抗放電路徑用來排出ESD瞬間放電的能量。

同樣地,在逆向方向的逆向動態電阻Rdyn,rev可在圖4(b)觀察到,而在順向方向也可觀察到順向動態電阻Rdyn,fwd。(Vt2,It2)則是保護裝置被擊穿破壞且不可逆轉的點。圖4(c)則是表示一個單向保護裝置的特性曲線。在負電壓區域保護裝置呈現順向PN接面。在圖4(d)是表示一個雙向保護裝置的特性曲線。該裝置會有一個對稱性。

典型ESD保護二極體的TLP特性曲線
圖4:典型ESD保護二極體的TLP特性曲線

在IV特性曲線上某一個點,藉由推導dV/dI可以計算出動態電阻。因此動態電阻可表示成Rdyn(V, I)=dV/dI。如果IV特性曲線在很寬的範圍內是恆定的,就如圖4(a)所示,在逆向方向(Vt1,It1)和(Vt2,It2)兩點之間可計算出動態電阻。因此動態電阻可用這兩點得到Rdyn=(Vt1 -Vt2)/(It1 -It2),或者是在圖4(b)逆向方向(Vh,Ih)和(Vt2,It2)兩點之間也可以計算出動態電阻Rdyn=(Vh-Vt2)/(Ih -It2)。然而實際上用最小二平方法計算兩個TLP電流ITLP2和ITLP1之間的動態電阻是較推薦的方法(圖5)。

兩個TLP電流ITLP2和ITLP1之間的動態電阻
圖5:兩個TLP電流ITLP2和ITLP1之間的動態電阻

TLP與IEC61000-4-2的關係

一般來說,TLP測量結果與IEC61000-4-2標準之間不存在相關性,因為二者的測試訊號並不相同,而且DUT對測試訊號波形參數(例如上升時間)的靈敏度也很可能不同。TLP在50Ω的波形源電阻下產生矩形電壓波形。IEC61000-4-2則是不同的波形(圖6)。然而,TLP最大的優勢是明確定義波形參數並精確地控制波形參數(例如波源阻抗、脈衝寬度、上升時間和振幅)。一般而言,每個脈衝能量是可以被計算出來的。如果ESD保護元件已經形成一個非常低電阻的通道以分流IEC61000-4-2(R=330Ω, C=150 pF)ESD電流脈衝能量,則此IEC61000-4-2(R=330Ω, C=150 pF)ESD電流脈衝能量是可以被計算出來的(表1)。對於寬峰值電流而言,2A、63.4ns脈衝寬度、<600ps上升時間的TLP 脈衝能量是0.508μJ,與IEC61000-4-2(R=330Ω, C=150 pF)1kV ESD電流脈衝能量最具有相關性(表1)。一般來說,TVS二極體對IEC脈衝的第一個峰值是不敏感的。在大多數情況下,脈衝能量是性能限制參數。因此,2A/kV的相關性是可以使用(圖5,右側y軸)。

IEC61000-4-2(R=330Ω, C=150 pF)的ESD電流脈衝波形
圖6:IEC61000-4-2(R=330Ω, C=150 pF)的ESD電流脈衝波形

表1:IEC61000-4-2(R=330Ω, C=150pF)ESD脈衝能量
表1:IEC61000-4-2(R=330Ω, C=150pF)ESD脈衝能量

總結

本文簡單介紹TLP量測系統、TLP量測結果以及TLP與IEC61000-4-2標準的關係。藉由TLP量測可以選擇適當ESD保護元件,同時提供一個快速、精確和成本最低的可行建置策略方法,以提高在系統上的ESD耐受性,並能滿足當今競爭激烈的市場需求。目前市面上已經有實驗室可提供TLP量測服務,如英飛凌科技(Infineon Technologies)在台北已經設置TLP量測實驗室提供相關TLP量測服務。





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