ESD保護──未來不可回避的設(shè)計任務(wù)

隨著 IC 晶體管密度的增加，IC 的靜電放電 (ESD) 魯棒性水平低于以前。這種低組件級的魯棒性只能在工廠或?qū)嶒炇业仁芸亓己玫沫h(huán)境中保護芯片。IC在現(xiàn)場使用時不能承受更高的瞬態(tài)事件。為防止最終客戶損壞 IC，產(chǎn)品設(shè)計人員使用基于 IEC 61000-4-2(ESD) 的系統(tǒng)級 ESD 測試方法在產(chǎn)品發(fā)布前對其進行驗證。ESD空氣放電和ESD接觸放電是常見的ESD測試方法。此外，設(shè)計人員還可根據(jù) IEC 61000-4-5 進行 EOS 測試，以模擬電源開關(guān)浪涌或雷電偶。

換句話說，產(chǎn)品仍然會經(jīng)過嚴(yán)格的測試，但芯片的魯棒性比以前弱了。在器件中添加有效的外部鉗位元件成為一項基本而重要的設(shè)計。

壓敏電阻——過去的ESD保護方案

幾年前，IC 的穩(wěn)健性足以承受高能 ESD 沖擊。此外，大面積的PCB面積和金屬機箱有助于器件將過載能量平穩(wěn)快速地釋放到地。接地條件的所有好處使器件在面臨 ESD 事件時保持穩(wěn)定。因此，設(shè)計人員選擇添加壓敏電阻作為保護元件，以防瞬態(tài)事件的能量高于設(shè)備的最大容差。

壓敏電阻是由陶瓷制成的保護元件，在電壓達到其觸發(fā)電壓之前，壓敏電阻不會被觸發(fā)。一旦瞬態(tài)事件電壓高于觸發(fā)電壓，壓敏電阻將創(chuàng)建導(dǎo)電路徑并將電流旁路至地。此外，壓敏電阻會將電壓鉗位在其鉗位電壓，以保持系統(tǒng)正常工作。在瞬態(tài)事件之后，壓敏電阻將關(guān)閉并等待下一個 ESD 事件。

但是，壓敏電阻的觸發(fā)電壓和鉗位電壓都很高。即使破壞性電流釋放到地，壓敏電阻的高鉗位電壓有時也會損壞系統(tǒng)。此外，由于材料和結(jié)構(gòu)的原因，壓敏電阻的老化問題應(yīng)被視為嚴(yán)重的可靠性問題。

壓敏電阻電視注釋

觸發(fā)電壓高的低的開啟條件

鉗位電壓高的低的搬運能力

老化問題是的不穩(wěn)定

包裹單通道大批成本和設(shè)計

驚人的和ESD

Amazing Microelectronic 對 ESD 或 EOS 的研究已超過 20 年。我們不斷跟進最新的應(yīng)用趨勢，使產(chǎn)品最符合客戶的需求?，F(xiàn)在我們擁有適用于 USB4、HDMI 2.1 和 DP 2.0 的 ESD 保護解決方案。我們還提供用于 CAN 總線或 LIN 總線的汽車收發(fā)器 IC 和 ESD 解決方案。除了常見的解決方案外，我們還有一些特殊設(shè)計的 TVS 以節(jié)省 PCB 面積和 BOM 成本。我們在一個封裝中設(shè)計了不同電氣特性的 TVS 以簡化布局，我們還在內(nèi)部設(shè)計了一個額外的反向驅(qū)動二極管以節(jié)省 BOM 成本。

Amazing Microelectronics 專注于 ESD 保護解決方案，我們的 ESD 保護器件市場份額位居全球前三。與品牌和ODM客戶直接合作，使我們始終緊跟市場最新趨勢。

應(yīng)用

1.USB4

USB type-C 連接器用于 USB4 應(yīng)用。此連接器內(nèi)部有 TX/RX、D+/D-、CC/SBU 和電源引腳。對于 TX/RX，AZ5B9S-01F是最強大的 TVS 之一，具有超低電容 (0.18pF)，AZ5B9S-01F可用于保護 20Gbps 數(shù)據(jù)傳輸。D+/D-和CC/SBU可以通過另一個小電容和良好鉗位電壓的TVS─AZ5B85-01B來保護。

2. 汽車

CAN 總線和 LIN 總線是為車輛中相互通信的設(shè)備設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。AZ9424-02S是一款符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的雙通道 TVS，適用于 CAN Bus 的 CAN_H 和 CAN_L。AZ9424-02S可以在一個TVS中同時保護CAN_H和CAN_L，其鉗位電壓低。AZ9824-01L也符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)，可用于 LIN 總線。

3.HDMI 2.1

TMDS/FRL 差分對始終拉高至 3.3V;因此，它應(yīng)該由 3.3V TVS 保護。HDMI 2.1 最高可支持 48Gbps，因此需要更低電容的 TVS。AZ1123-04F是令人驚嘆的強大 3.3V TVS 陣列之一，具有超低電容和低鉗位電壓 TVS。高峰值脈沖電流容差使其足夠穩(wěn)健以應(yīng)對高瞬態(tài)能量。對于HDMI的其他線，我們提供了一個特殊的TVS ─

AZC199-04S。它可用于保護控制引腳和 Vcc 引腳。AZC199-04S最特別的設(shè)計是內(nèi)部嵌入了一個反向驅(qū)動二極管。換言之，AZC199-04S 節(jié)省了 PCB 面積、成本和一個反向驅(qū)動二極管。

4. 10G局域網(wǎng)

以太網(wǎng)總是需要做更高的瞬態(tài)能量測試，如 IEC61000-4-5、GR 1089 等。應(yīng)考慮 TVS 的浪涌魯棒性。AZ5B0S-01F最大峰值脈沖電流容差為 7A。此外，AZ5B0S-01F是專為高速傳輸而設(shè)計的低電容 TVS。因此，它可以用于 10G LAN 應(yīng)用。

如何挑選合適的電視?

(1) 工作電壓

在系統(tǒng)正常運行的情況下，TVS 不應(yīng)被觸發(fā)，因此 TVS 的工作電壓是必須首先考慮的參數(shù)。當(dāng) TVS 處于關(guān)閉狀態(tài)時，其漏電流在 1μA 以下。一旦被觸發(fā)，它將迅速成為一個低阻抗元件，并將大部分能量旁路到地。

(2) 鉗位電壓

這是用于描述 TVS 保護能力的參數(shù)。當(dāng) ESD 事件發(fā)生時，TVS 將立即開啟。然后它將大部分能量旁路到地，并將電壓鉗制在適當(dāng)?shù)乃揭员３窒到y(tǒng)穩(wěn)定。如果 TVS 將電壓鉗制在一個高值，系統(tǒng)仍可能受到干擾或損壞。因此，鉗位電壓 TVS 越低 TVS 越好。

鉗位電壓是我們從 TLP(傳輸線脈沖)圖中得到的數(shù)據(jù)。TLP圖可以幫助我們了解TVS的詳細電氣信息。此外，我們可以通過 TLP 圖輕松比較不同 ESD 條件下的兩種不同 TVS 鉗位電壓。然后我們遵循“鉗位電壓越低，TVS 越好”的規(guī)則，我們就可以選擇我們需要的 TVS。

(3) 電容

這是影響信號完整性和質(zhì)量的因素。在一些超高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，需要使用低電容TVS來避免數(shù)據(jù)失真。此外，一些規(guī)范會列出阻抗測試，如 TDR 測試，而電容是影響結(jié)果的因素之一。

(4) 峰值脈沖電流(Ipp)

該參數(shù)表示 TVS 的浪涌瞬態(tài)能量魯棒性。如果根據(jù) IEC 61000-4-5 進行浪涌測試，則在拿起 TVS 時應(yīng)考慮峰值脈沖電流。有時，這個參數(shù)會寫成峰值脈沖功率;但是，我們建議直接用當(dāng)前單位檢查這個參數(shù)。

(5) 包裝

盡管單通道 TVS 是市場上最常見的封裝，但與陣列封裝 TVS 相比，它占用了大量的 PCB 面積，尤其是對于具有大量數(shù)據(jù)走線的高速應(yīng)用。TVS 陣列封裝使設(shè)計變得簡單，并且可以靈活地適應(yīng)不同的應(yīng)用。陣列封裝可以通過結(jié)合不同的電氣特性 TVS 設(shè)計為一些特定應(yīng)用的整體解決方案。

結(jié)論

半導(dǎo)體行業(yè)的規(guī)模化趨勢導(dǎo)致 IC 組件級 ESD 穩(wěn)健性降低。系統(tǒng)級保護器件將壓敏電阻改為TVS的現(xiàn)象表明，外部保護越來越重要。Amazing Microelectronic 是專業(yè)從事 ESD 保護解決方案的頂級公司之一。憑借知識、經(jīng)驗和始終緊跟高科技趨勢，Amazing 將始終為最新應(yīng)用提供最好的產(chǎn)品。