ESD原理及典型接口選型應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2016-11-04 責(zé)任編輯:cicyxu
【導(dǎo)讀】ESD保護(hù)對(duì)高密度、小型化和具有復(fù)雜功能的電子設(shè)備而言具有重要意義。本文探討了采用TVS二極管防止ESD時(shí),最小擊穿電壓和擊穿電流、最大反向漏電流和額定反向關(guān)斷電壓等參數(shù)對(duì)電路的影響及選擇準(zhǔn)則,并針對(duì)便攜消費(fèi)電子設(shè)備、機(jī)頂盒、以及個(gè)人電腦中的視頻線路保護(hù)、USB保護(hù)和RJ-45接口等介紹了一些典型應(yīng)用。
隨著移動(dòng)產(chǎn)品、打印機(jī)、PC,DVD、機(jī)頂盒(STB)等產(chǎn)品的迅速發(fā)展,消費(fèi)者正要求越來(lái)越先進(jìn)的性能。半導(dǎo)體組件日益趨向小型化、高密度和功能復(fù)雜化,特別是像時(shí)尚消費(fèi)電子和便攜式產(chǎn)品等對(duì)主板面積要求嚴(yán)格的應(yīng)用很容易受到靜電放電的影響。一些采用了深亞微米工藝和甚精細(xì)線寬布線的復(fù)雜半導(dǎo)體功能電路,對(duì)電路瞬變過(guò)程的影響更加敏感,將導(dǎo)致上述的問(wèn)題更加激化。
ESD保護(hù)原理
電路保護(hù)元件存在幾種技術(shù),當(dāng)選擇電路保護(hù)元件時(shí),若設(shè)計(jì)師選擇不當(dāng)?shù)谋Wo(hù)器件將只能提供錯(cuò)誤的安全概念。電路保護(hù)元件的選擇應(yīng)根據(jù)所要保護(hù)的布線情況、可用的電路板空間以及被保護(hù)電路的電特性來(lái)決定。此外,了解保護(hù)元件的特性知識(shí)也非常必要,需要考慮的重要因素之一是器件的箝位電壓。所謂箝位電壓是在ESD器件里跨在瞬變電壓消除器(TVS)上的電壓,它是被保護(hù)IC的應(yīng)變電壓。
因?yàn)槔孟冗M(jìn)工藝技術(shù)制造的IC電路里氧化層比較薄,柵極氧化層更易受到損害。這意味著較高的箝位電壓將在被保護(hù)IC器件上產(chǎn)生較高的應(yīng)變電壓,并且增加了失效的概率。
很多保護(hù)元件都被設(shè)計(jì)成可吸收大量的能量,由于元件結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)上的原因也導(dǎo)致其具有很高的箝位電壓。由于變阻器的箝位電壓太高,他們不能夠提供有效的ESD保護(hù)。此外,由于變阻器的高電容他們也不能給高速數(shù)據(jù)線路提供保護(hù)。TVS二極管正是為解決此問(wèn)題而產(chǎn)生的,它已成為保護(hù)便攜電子設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)。
TVS二極管是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于吸收ESD能量并且保護(hù)系統(tǒng)免遭ESD損害的固態(tài)元件。如果應(yīng)用得當(dāng),TVS二極管將限制跨在被保護(hù)器件上的電壓剛好高過(guò)額定工作電壓,但是卻遠(yuǎn)低于破壞閾值電壓。
TVS相關(guān)參數(shù)
處理瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的最好辦法是將瞬時(shí)電流從敏感器件引開(kāi)。TVS二極管在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián),當(dāng)瞬時(shí)電壓超過(guò)電路正常工作電壓后,TVS二極管便發(fā)生雪崩,提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低電阻通路,其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過(guò)二極管被引開(kāi),避開(kāi)被保護(hù)器件,并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后,TVS二極管自動(dòng)回復(fù)高阻狀態(tài),整個(gè)回路進(jìn)入正常電壓。許多器件在承受多次沖擊后,其參數(shù)及性能會(huì)發(fā)生退化,而只要工作在限定范圍內(nèi),二極管將不會(huì)發(fā)生損壞或退化。
從以上過(guò)程可以看出,在選擇TVS二極管時(shí),必須注意以下幾個(gè)參數(shù)的選擇:
1. 最小擊穿電壓VBR和擊穿電流IR。VBR是TVS最小的擊穿電壓,在25℃時(shí),低于這個(gè)電壓TVS是不會(huì)發(fā)生雪崩的。當(dāng)TVS流過(guò)規(guī)定的1mA電流(IR)時(shí),加于TVS兩極的電壓為其最小擊穿電壓VBR。按TVS的VBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度,可把VBR分為5%和10%兩種。對(duì)于5%的VBR來(lái)說(shuō),VWM=0.85VBR;對(duì)于10%的VBR來(lái)說(shuō),VWM=0.81VBR。為了滿(mǎn)足IEC61000-4-2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),TVS二極管必須達(dá)到可以處理IEC61000-4-2靜電防護(hù)第四級(jí)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),最小8kV(接觸)和15kV(空氣)的ESD沖擊,雷卯電子在汽車(chē)電子的TVS器件上都可以滿(mǎn)足接觸和空氣 30KV的測(cè)試,所以對(duì)于某些有特殊要求的應(yīng)用,設(shè)計(jì)者可以按需要挑選器件。
2. 最大反向漏電流ID和額定反向關(guān)斷電壓VWM。VWM這是二極管在正常狀態(tài)時(shí)可承受的電壓,此電壓應(yīng)大于或等于被保護(hù)電路的正常工作電壓,否則二極管會(huì)不斷截止回路電壓;但它又需要盡量與被保護(hù)回路的正常工作電壓接近,這樣才不會(huì)在TVS工作以前使整個(gè)回路面對(duì)過(guò)壓威脅。當(dāng)這個(gè)額定反向關(guān)斷電壓VWM加于TVS的兩極間時(shí)它處于反向關(guān)斷狀態(tài),流過(guò)它的電流應(yīng)小于或等于其最大反向漏電流ID。
3. 最大箝位電壓VC和最大峰值脈沖電流IPP。當(dāng)持續(xù)時(shí)間為20mS的脈沖峰值電流IPP流過(guò)TVS時(shí),在其兩端出現(xiàn)的最大峰值電壓為VC。VC、IPP反映了TVS的浪涌抑制能力。VC與VBR之比稱(chēng)為箝位因子,一般在1.2~1.4之間。VC是二極管在截止?fàn)顟B(tài)提供的電壓,也就是在ESD沖擊狀態(tài)時(shí)通過(guò)TVS的電壓,它不能大于被保護(hù)回路的可承受極限電壓,否則器件面臨被損傷的危險(xiǎn)。
4. Pppm額定脈沖功率,這是基于最大截止電壓和此時(shí)的峰值脈沖電流。對(duì)于手持設(shè)備,一般來(lái)說(shuō)500W的TVS就足夠了。最大峰值脈沖功耗PM是TVS能承受的最大峰值脈沖功耗值。在給定的最大箝位電壓下,功耗PM越大,其浪涌電流的承受能力越大。在給定的功耗PM下,箝位電壓VC越低,其浪涌電流的承受能力越大。另外,峰值脈沖功耗還與脈沖波形、持續(xù)時(shí)間和環(huán)境溫度有關(guān)。而且,TVS所能承受的瞬態(tài)脈沖是不重復(fù)的,器件規(guī)定的脈沖重復(fù)頻率(持續(xù)時(shí)間與間歇時(shí)間之比)為0.01%。如果電路內(nèi)出現(xiàn)重復(fù)性脈沖,應(yīng)考慮脈沖功率的累積,有可能損壞TVS。
5. 電容量C。電容量C是由TVS雪崩結(jié)截面決定的,是在特定的1MHz頻率下測(cè)得的。C的大小與TVS的電流承受能力成正比,C太大將使信號(hào)衰減。因此,C是數(shù)據(jù)接口電路選用TVS的重要參數(shù)。電容對(duì)于數(shù)據(jù)/信號(hào)頻率越高的回路,二極管的電容對(duì)電路的干擾越大,形成噪聲或衰減信號(hào)強(qiáng)度,因此需要根據(jù)回路的特性來(lái)決定所選器件的電容范圍。高頻回路一般選擇電容應(yīng)盡量小(如LCTVS、低電容TVS,電容不大于3pF),而對(duì)電容要求不高的回路電容選擇可高于40pF。
ESD應(yīng)用
1.底部連接器的應(yīng)用
底部連接器設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用在移動(dòng)消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品上,目前市場(chǎng)上應(yīng)用產(chǎn)品主要為移動(dòng)電話(huà)、PDA、DSC(數(shù)碼相機(jī))以及MP3等便攜產(chǎn)品。
由于是直流回路,可選用普通電容器件。此端口可能會(huì)受到高能量的沖擊,可以選用集成TVS或分立的器件。
2 RJ-45(10/100/1000M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò))
RJ-45接口廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)連接的接口設(shè)備上,典型的應(yīng)用就是10/100/1000M以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。
3. 視頻線路的保護(hù)
目前視頻常見(jiàn)的輸出端口設(shè)計(jì)有D-SUB、DVI(28線)、SCART(19線)和D-TERMINAL(主要日系產(chǎn)品在用)。視頻數(shù)據(jù)線具有高數(shù)據(jù)傳輸率,數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)480Mbps,有的視頻數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到1G以上,因而要選擇低電容TVS,它通常是將一個(gè)低電容二極管與TVS二極管串聯(lián),以降低整個(gè)線路的電容(可低于3pF),達(dá)到高速率回路的要求。上海雷卯電子公司的ULC0524P具有良好的低電容特性,能夠提供4路ESD保護(hù),而它的后繼產(chǎn)品SRDA05-6能夠提供多達(dá)6路ESD保護(hù)。SRDA05-X系列產(chǎn)品適用于所有高速通訊線路的保護(hù)。
4. SIM卡數(shù)據(jù)線路保護(hù)
SIM卡數(shù)據(jù)線路保護(hù)一直是各個(gè)公司的產(chǎn)品重點(diǎn),而且專(zhuān)門(mén)為此類(lèi)端口設(shè)計(jì)的集ESD(TVS)/EMI/RFI防護(hù)于一個(gè)芯片的器件,充分體現(xiàn)了片式器件的無(wú)限集成方案。
在針對(duì)不同用途選擇器件時(shí),要避免使器件工作在其設(shè)計(jì)參數(shù)極限附近,還應(yīng)根據(jù)被保護(hù)回路的特征及可能承受ESD沖擊的特征選用反應(yīng)速度足夠快、敏感度足夠高的器件,這對(duì)于有效發(fā)揮保護(hù)器件的作用十分關(guān)鍵,另外集成了其它功能的器件也應(yīng)當(dāng)首先考慮。
雷卯還提供了多種不同的TVS二極管封裝形式,尤其是像SOT23和SC-70,以及與芯片同等大小的倒裝芯片之類(lèi)的微型封裝,在板上只占約4.8mm2的位置,卻可以同時(shí)保護(hù)多個(gè)線路。最近的許多新產(chǎn)品更是適應(yīng)便攜設(shè)備高集成度、小型化要求,將EMI/RFI/ESD保護(hù)集成在一個(gè)器件中,不但可以有效縮小空間,還大大減少了成本,降低了器件采購(gòu)成本和加工成本,對(duì)于同時(shí)需要這幾種保護(hù)功能的端口來(lái)說(shuō),可謂設(shè)計(jì)者的首選。
對(duì)于日益出現(xiàn)的快充USB,對(duì)于Vbus的浪涌保護(hù)尤其重要,針對(duì)快充USB,有對(duì)應(yīng)的ULC1654N可以滿(mǎn)足保護(hù)需求。
5. USB保護(hù)
6. 音頻/揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)線路保護(hù)
在音頻數(shù)據(jù)線路保護(hù)方面,由于音頻回路的信號(hào)速率比較低,對(duì)器件電容的要求不太高,普通電容指標(biāo)都是可以接受的,有的手機(jī)設(shè)計(jì)中將耳機(jī)和麥克風(fēng)合在一起,有的則是分立線路。前一種情況可以選擇單路TVS,而后一種情況如果兩個(gè)回路是鄰近的,則可以選用多路TVS陣列,只用一個(gè)器件就能完成兩個(gè)回路的保護(hù)。
7. 按鍵/開(kāi)關(guān)
對(duì)于按鍵和開(kāi)關(guān)回路,這些回路的數(shù)據(jù)率很低,對(duì)器件的電容沒(méi)有特殊要求,用普通的TVS陣列都可以勝任。 以上器件都是用在手機(jī)上的ESD防護(hù),其實(shí)就是一個(gè)5V的防靜電的,可以滿(mǎn)足靜電的需求。
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