工程師筆記本-亨利

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手持設備保護二極體箝位電壓的比較及分析

手機、數位相機、MP3播放器和PDA等手持設備的設計工程師,正不斷地面臨著在降低整個系統成本的同時,必須以更小體積提供更多功能的挑戰。IC設計工程師透過在減少矽晶片空間大小的同時,提高元件的速度和性能來推動此一趨勢。為了使功能和晶片體積獲得最佳化,IC設計工程師必須不斷地最小化其設計的尺寸。然而,這要付出什麼代價呢?

IC功能尺寸的減少使得元件更易受到ESD電壓的損害。這種趨勢對終端產品的可靠性會產生不利影響,而且會增加故障的可能性。因此,手持設備的設計工程師正面臨找到一種具成本效益之ESD解決方案的挑戰,這種方案能把電壓箝位到更低水準,以便讓一些內含對ESD極敏感之IC的終端產品保持高可靠性。

以系統級的方法來定義典型的ESD事件時,通常採用的是以其次奈秒上升時間和高電流電平(圖1)為顯著特徵的IEC61000-4-2波形。這種波形的規格要求採用四級ESD量級。大部份設計工程師都要求把產品限定到最高階的8kV的接觸放電或15kV空氣放電。當進行元件級測試時,由於空氣放電測試在小型元件上是無法重複的,因此接觸放電測試是最適合的測試方式。

ESD設計考量

ESD保護元件的目的,是把高達數千伏的ESD輸入電壓降低到所保護的IC所能承受的安全電壓,並將電流自IC旁路。雖然所需ESD波形的輸入電壓和電流在過去幾年內並沒有出現變化,但要求保護IC的安全電壓電平卻降低了。過去,IC設計在ESD防護方面更具強韌性,而且能夠承受更高電壓,因此,在選擇能符合IEC61000-4-2第4級要求的保護二極體時,有充分的選擇餘地。而面對目前對ESD更敏感的IC,設計工程師不僅要確保保護元件能夠符合IEC61000-4-2第4級標準,而且還要確保該元件能夠將ESD脈衝鉗制到足夠低的電平,確保IC不受損壞。在為特定應用選擇最佳保護元件時,設計工程師們必須考慮到ESD保護元件能將ESD電壓控制到多低。

保護二極體的關鍵DC指標是擊穿電壓、漏電流和電容。大部份技術文件會說明IEC61000-4-2的最大額定電壓,該電壓指的是二極體在該電壓上不會被ESD衝擊損壞。但問題是,大部份技術文件中並沒有任何針對像ESD這樣高頻率、高瞬態電流等箝位電壓方面的資訊。然而,要在IEC61000-4-2規格中硬性規定箝位電壓不是一件簡單的事情,因為該規格的初衷是用來檢驗系統是否合格。要把這種規格來檢驗保護元件,關鍵不僅是要檢查保護二極體是否合格,還必須檢查它能將ESD電壓箝位到多低。

比較保護二極體箝位電壓的最好方法,是採用一台示波器,擷取保護二極體兩端在ESD產生期間內的實際電壓波形。在觀察承受IEC61000-4-2標準測試的ESD保護元件電壓波形時,通常初始電壓峰值之後緊隨著第二峰值,且最終電壓將會穩定下來。初始峰值是由IEC61000-4-2波形的初始電流峰值和存在於測試電路中的電感所導致的過衝相結合所造成的。初始峰值的持續時間很短,因此限定了傳輸到IC的能量。圖中曲線上顯示了保護元件的箝位性能,其位於第一個過衝之後。應關注第二個峰值,這是因為該峰值的持續時間較長,被測IC承受的能量將因此增加。在以下的討論中,箝位電壓被定義為第二峰值的最大電壓。

 

圖1:IEC61000-4-2規格指標一覽表。
圖1:IEC61000-4-2規格指標一覽表。

幾種保護二極體的比較

為了進行公平的比較,所選零組件應具有相似的封裝尺寸和參數指標。用來比較的是三款ESD保護二極體,當對其電氣特性進行比較時,這些元件被認為可以彼此互換。這些元件都是雙向的ESD保護元件,具有同樣的擊穿電壓(6.8V)、電容(15pf)和封裝外形(1.0×0.6×0.4mm)。此處所選的產品分別是競爭對手1的RSB6.8CS、競爭對手2的PG05DBTFC和安森美半導體的ESD9B5.0ST5G。

當對以上元件的DC性能進行比較的時候,結果看起來似乎是相同的(參見圖2所示曲線)。此外,它們都聲稱符合IEC61000-4-2第4級標準,這就意味著它們都可承受高達8kV接觸電壓的ESD衝擊。

 

圖2:三種ESD元件的DC特性對比。
圖2:三種ESD元件的DC特性對比。

為了比較每個元件的箝位性能,利用示波器來擷取ESD產生期間的電壓波形。利用完全相同的測試條件,對上述元件進行並排測試。圖3中顯示出每個二極體對正/負ESD脈衝的響應曲線。所用的輸入脈衝為IEC61000-4-2 level 4的標準接觸電壓(8kV)。

 


圖3:三種ESD保護二極體的箝位電壓對比(示波器螢幕圖)。

從圖3所示的圖上可見,顯然,與兩個競爭對手的元件(藍色波形)相較,安森美半導體保護解決方案(黑色波形)可提供更低的ESD脈衝箝位電壓。與KEC的18V和Rohm的23V相較,安森美的元件將正脈衝箝位在14V。而在負脈衝期間,這三個元件之間箝位電壓的差異更加明顯。安森美、競爭對手2和競爭對手1的元件對負脈衝的箝位電壓分別是20V、34V和42V。在負ESD期間這三種元件之間有明顯的區別,競爭對手2的元件的箝位電壓比安森美的元件高70%,而競爭對手1的元件箝位電壓則是安森美元件的兩倍之多。通過競爭對手保護元件後的剩餘負脈衝電壓,對容易受到ESD破壞的新IC設計而言具有潛在的危險。然而,安森美的元件卻能在負脈衝和正脈衝兩個方向上保持低的箝位電壓,將遭受正/負ESD脈衝的破壞風險都保持在最低水準。

好的保護元件必須能對正/負ESD脈衝都進行很好的箝位,以保證終端產品實現最高的可靠性。在正/負兩個方向上的低箝位電壓可確保元件能保護敏感的IC。安森美半導體的保護元件不僅能讓IC承受ESD衝擊,而且提供了極低的箝位電壓。由於在選擇ESD保護元件時,箝位電壓正變得日益重要,安森美半導體已在最新的保護元件中提供了類似圖3中的鉗位特性。

作者:Lon Robinson

ESD保護二級體行銷工程師

安森美半導體

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