AI摘要:本文介绍了静电放电(ESD)对电子设备的影响,包括HBM和CDM两种模型。CDM模型模拟带电器件对地放电,上升时间短,电流峰值大,维持时间短,保护电路难以及时响应。ESD测试主要采用HBM模型,分为接触放电和空气放电。测试方法遵循IEC61000-4-2和EN301489-1标准。静电辐射频率成分不同,需考虑干扰问题。ESD保护器件要求Vrwm、Vbr和Vcl满足特定关系,动态阻抗低,注意高速信号线选择低容器件。TVS管通过工艺优化降低动态阻抗,实现低容设计。文章还提供了一些常用的TVS管型号。
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接口防护指南——静电
静电与浪涌的区别前章1已探讨。
静电ESD
这里说的静电主要是2种模型:HBM和CDM。前者是人体模型,后者是充电器件放电模型。两者波形对比如下。
CDM模型特点:
- 上升时间极短:<400pS
- 电流峰值极大:5~20A/500V
- 维持时间极短:0.5~1.0nS
- 一 般保护电路来不及动作
HBM和MM模型是模拟人体(Human Body)或机器设备(Machine)带电后对元器件放电,而 CDM模型则是模拟元器件本身带电后对地放电。随着芯片制造、封测、装联的自动化程度提高,人体接触器件的机会相对减少,带电器件ESD放电事件越来越成为微电子器件失效的主要原因之一2。
CDM模型就是基于已带电的器件通过引脚与地接触时,发生对地放电引起器件失效而建立的。带电器件的电容值与器件的封装结构、引脚排列形式及器件放置时的方位等因数有关,一般仅为几到几十皮法(pF)。
对于ESD测试而言,以人体模型(HBM)为主。人体放电模型有两种:接触放电与空气放电。
测试方法
IEC61000-4-2 中第7.2.2章节定义了测试环境的搭建。
EN301489-1 第9.3 章节制定了 ESD 测试方法。
测试标准如下。
IEC61000-4-2 第5章节定义了测试水平,根据测试结果对应不同的的level。
这个是静电放电抗干扰度试验标准,对应国标GB/T 17626.2-2018。
其波形如下图所示。
8kV的波形可以等效为TLP的2A波形。如下图所示。
静电辐射3
根据论文研究,接触放电的频率成分为0~250MHz,中心频率在40MHz。
空气放电时的频率成分为0~130MHz,中心频率为28MHz。
所以在打静电时也要考虑是否会有干扰,导致工作异常。
ESD管的要求
Vrwm需要保证不会影响到器件工作,故需要大于器件工作电压。
Vbr为动作电压点,同Vrwm一样需要大于器件工作电压。通常Vrwm=(0.8~0.9)Vbr。
Vcl为钳位电压,需要低于器件的最大工作电压。当ESD或者浪涌通过时,到器件端的电压最多会被钳位到Vcl,即Vclamp,一般为1.3Vbr。
划重点:
- Vbr>Vrwm>Vin(1.1~1.2:1:1)
- Vinmax>Vcl>Vbr(n:1.3:1)
- P=Vclamp*(Vsurge-Vclamp)/2
- 注意高速信号线上选择低容(低的结电容Cj)
- 注意漏电流大小
- 注意耦合辐射杂散和Dense
- 注意接地需要是主地或者大平面地
用户: 钳位电压和击穿电压的区别是什么
Kimi: 钳位电压(Vc)和击穿电压(Vbr)是描述TVS管特性的两个重要参数,它们在功能和意义上有所不同:
击穿电压(Vbr):
- 定义:击穿电压是指TVS管从高阻抗状态转变为低阻抗状态的电压阈值。
- 功能:当TVS管两端的电压达到击穿电压时,器件会迅速导电,从而开始吸收并抑制超过该电压的瞬态电压。
- 重要性:击穿电压是选择TVS管时的关键参数,因为它决定了TVS管开始工作的具体电压值。
钳位电压(Vc):
- 定义:钳位电压是指TVS管导通后,通过其流动的电压,即在TVS管导通状态下,电路中的最大电压。
- 功能:钳位电压反映了TVS管导通后对电压的抑制能力,其目的是将电路中的电压限制在一个安全的水平,防止过电压对电路造成损害。
- 重要性:钳位电压是衡量TVS管性能的一个重要指标,理想情况下,钳位电压应尽可能接近击穿电压,以最小化瞬态事件对电路的影响。
区别:
- 击穿电压是TVS管开始工作的电压,而钳位电压是TVS管导通后电路中的最大电压。
- 击穿电压是TVS管响应的触发点,钳位电压是TVS管响应后达到的电压水平。
- 在选择TVS管时,需要确保钳位电压低于电路的最大允许工作电压,以确保电路安全。
简而言之,击穿电压是TVS管激活的起点,而钳位电压是TVS管激活后限制电压的终点。两者共同决定了TVS管对电路的保护能力。
其他
动态阻抗是ESD保护器件一个非常重要的参数。动态阻抗越低,表明更多的ESD电流会流经保护器件,更少的电流会流经被保护设备。
TVS由于更关注于器件的钳位电压,所以会在齐纳二极管的基础上做些工艺上的优化,以减少钳位电压。比如齐纳二极管可能使用的衬底片;而TVS为了降低衬底引入的电阻,会采用高掺杂的衬底片加外延的方式来降低衬底引入的电阻,从而降低TVS的动态阻抗,达到降低钳位电压的目的。
单向TVS是PN结正向导通,将负脉冲钳位到较低电压。
双向TVS为雪崩击穿,正负脉冲都有一个管子处于正向导通状态。
低容TVS一般由低容的正向二极管和普通容值的TVS串联形成。由于同一个二极管的正向的通流能力为反向的几十倍,利用这个特点,普通容值TVS串联一个低容正向二极管,可以把电容做低,然后再并联一个方向相反的低容二极管,可以形成低容单向TVS,具有和普通容值TVS相似的I-V特性,但电容会大大降低。由于串联一个正向二极管,所以钳位电压会比普通容值TVS更高。如下图所示,普通容值二极管D3和低容正向二极管D1串联,然后和方向相反的二极管D2并联,其I-V特性和普通TVS相比,VBR高约0.7V,VF仍约为0.7V,但是电容可以低至普通容值TVS的几十分之一。此时TVS的电容为Cd1+Cd2。
其中低容TVS的D3管使用NPN工艺时是一个NPN三极管。普通容值的NPN结构的D3管再加低电容的正向二极管D1和D2构成了低容NPN TVS管。
如果是双向TVS管则如下图所示。
一些常用的TVS管。