發布日期：2022-07-14 點擊率：38
有三股力量正在推動電路保護技術的蓬勃發展:首先,無論是手機還是工業電信設備,為了實現可靠的系統操作,研發工程師都要特別注意保護那些提供系統功能的復雜IC；其次,工藝的精細化令IC對沖擊和靜電放電(ESD)的敏感度不斷提高；最后,眾多市場都正在對銷往該地的電子產品設立強制性的安規認證,而過壓保護也被列為其中重要的一項。正如安森美半導體保護產品業務總監Gary Straker不久前在上海所言:“無論是便攜消費產品、計算機外設、電信和網絡設備、汽車電子還是工業設備,其對電路保護的需求都在日益上升。”
Straker是在安森美半導體宣布成立上海電路保護應用測試實驗室的新聞發布會上發表上述言論的。為了滿足不斷上升的電路保護需求以及協助在此方面缺乏經驗的亞洲用戶、特別是中國用戶,這家電源半導體大廠不久前在上海開設了美國亞利桑那州菲尼克斯之外的全球第二家電路保護應用測試實驗室。“新的實驗室將主要為手機和DSL調制解調器等便攜消費產品和電信設備提供過壓保護解決方案。”Straker介紹。
ESD保護與技術難題
談到ESD保護,首先要介紹的便是瞬態電壓抑制器(TVS)、壓敏電阻以及聚合物(Polymer)三種器件。事實上,它們正是ESD保護領域的三大技術。其中,TVS和壓敏電阻采用的是電壓箝位的方式,而內含導電粒子的聚合物則利用的是消弧保護的原理。與其他兩種器件相比,聚合物的應用范圍還比較小,僅用于電容較低的場合(小于1pF)。另外,聚合物的體積還會隨著箝位電壓的提高而增大。很顯然,這同半導體器件日益縮小的趨勢背道而馳。
聚合物的上述劣勢令壓敏電阻和TVS成為最常見的兩種ESD保護方案。壓敏電阻的電阻值會隨著電壓的不同而發生變化。當所承受的電壓超過額定值時,其電阻會急劇下降到近似短路的狀態,將靜電電壓引入變阻器并以熱能的形式釋放出來。這種技術的優點是成本相對較低,缺點卻是每經過一次ESD沖擊,器件的物理結構就會受到一定程度的損傷,從而發生器件老化的問題。相比之下,利用了二極管雪崩短路的TVS卻不存在這一困擾:當瞬態電壓超過箝位電壓后,二極管發生雪崩,瞬態大電流將從與被保護器件并聯的二極管中流過,避免了內部電路被大電壓擊穿或被大電流燒毀的可能。當然,TVS的優點還不止這些,小型化的封裝、較低的箝位低壓都足以令其他技術甘拜下風。這令其比其他器件擁有更廣泛的應用領域,特別是高端便攜設備的接口電路。
高速應用中的ESD保護器件
不過,隨著更多低壓器件以及高頻電路技術的發展,傳統的TVS已經越來越無法滿足相關應用的需要。以手機為例,隨著高速數據線對ESD保護的需求日益上升,這個已經成為ESD保護應用大戶的領域開始對ESD保護器件供應商提出了新的要求。“與鍵盤、按鈕、側鍵、充電線、電池觸點等傳統大功率ESD應用不同,為了不造成高頻失真,USB1.1、、FM天線、SIM卡、攝像頭等高速數據應用以及和RF天線等超高速數據應用都要求保證盡可能低的系統電容值。”安森美半導體分立產品部ESD/TVS保護技術市場工程師Lon Robinson指出,“比如,前者要求的系統最大電容值在40pF以下,后者更是要求系統電容值低于5pF甚至低至。無疑,留給ESD器件的可回旋余地就更小了。”
Robinson道出了所有ESD保護器件供應商都在面對的一項挑戰——美國防靜電協會(ESDA)2006年發布的一項研究報告已經指出,隨著半導體器件特征尺寸的降低,IC內氧化層擊穿電壓正在不斷下降。報告稱,為了確保ESD電壓不超過氧化層的擊穿電壓,外部ESD保護器件必須將其箝位至更低的電壓。“然而就目前而言,市場上大部分ESD保護器件的箝位能力與電容值還是成反比的——隨著電容值的降低,ESD器件啟動保護機制的電壓值不但沒有降低,反而在不斷上升。這導致許多器件在高頻場合根本無法達到保護IC免受ESD電壓破壞的目的。”Robinson說。
ESD9L的創新三管結構
結構創新
很顯然,如果繼續糾纏于以往的技術,要解決ESD保護器件中電容值與靜電箝位能力這對無法調和的矛盾是不太現實的——結構創新或許是個不錯的主意——通過他們的努力,安森美的研發工程師已經證明了這一點。具體思路是:將超低電容二極管和大功率TVS置于同一裸片上,通過集成的方式來獲得箝位能力與電容值的雙重優勢。按照這個想法,該公司在去年11月宣布推出一款型號為ESD9L的新型ESD保護器件。
據稱,這款于主要面向手機應用的ESD保護器件不僅擁有的超低電容,足以應付(480 Mbps)和HDMI( Gbps)等高速應用。另外,盡管其擁有電容業界最小的電容值,但是ESD保護能力卻不遜于任何大電容器件。安森美出示的資料顯示,該器件能將15kV的ESD波形在數納秒(ns)之內迅速箝位至7V以下。最后,在提高鉗位性能的同時,ESD9L還盡力保持了極小的裸片尺寸,使其能夠適合尺寸僅為1.0×0.6×的SOD-923封裝。至此,它不僅完全克服了傳統TVS低電容同箝位能力不可兼得的問題,還憑借超小型封裝成為手機、MP3播放器、PDA和數碼相機等空間受限型產品的高速應用理想解決方案。
簡單來講,ESD9L可以被看作是兩個整流二極管和一個齊納二極管組成的三管結構(見圖2):齊納二極管與一個整流二極管組成一路,另外一個整流二極管組成一路,分別作為不同方向電流的通路。由于涉及到技術機密,Robinson拒絕透露如何利用這種結構實現低箝位電壓與超低電容的原理,不過他表示,三管結構并沒有增加系統工程師的應用難度。“ESD9L與單齊納二極管的性能是完全一樣的,工程師可放心使用。”他說。
Robinson還在現場進行了演示,對ESD9L與包括同類硅器件、壓敏電阻以及聚合物在內的各類競爭器件進行了正、負脈沖作用下ESD保護能力的截屏比較,結果證明了該器件強大的ESD保護能力(結果比較見圖3)。
安森美的ESD9L新器件解決了電容與箝位電壓之間的矛盾
作者:王彥
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