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(多图) ESD保护元件的对比分析及大电流性能鉴定

来源:21IC中国电子网/作者:安森美半导体?? 2007年10月24日 ?? 收藏0

  图3的屏幕截图就是这样一个范例。从图中可以看出,安森美半导体的TVS元件可以迅速将ESD应力降低,即从8 kV静电电压钳位到5至6 V的水平;但压敏电阻的曲线则下降得很慢,而且无法降到很低的水平。该曲线表明,TVS器件的恢复时间非常短,经过TVS器件泄漏到后面电路的能量也非常少,特别适合于便携式设备的应用。

  而在多重应力条件下,两者的差别就表现得更为突出。由于TVS采用二极管工作原理,受到电击后,会立即击穿,然后关闭,对器件没有损伤,因此可以说没有寿命限制。对于压敏电阻而言,它采用的是物理吸收原理,每经过一次ESD事件,材料就会受到一定的物理损伤,形成无法恢复的漏电通道;而且,要达到更好的吸收效果,就要使用更多的材料,使其体积增加,进而限制了在今天小型化产品当中的应用。

  有鉴于此,安森美半导体标准产品部亚太区市场营销副总裁麦满权先生打了一个比方,也就是在ESD保护方面,压敏

电阻保护施展的是“少林功夫”,用“身体(压敏电阻)”去硬扛,会让自己“很受伤”,而TVS耍的是“太极拳”,在ESD应力冲击IC之前,就将冲击力给“引导开”或“消减掉”。

  两相对比,其结果是在施加1,000次8kV IEC 61000-4-2 ESD脉冲条件下,安森美半导体的TVS元件的漏电流小于0.1 ?A,而压敏电阻在少于20个ESD脉冲下漏电流就会超过100 ?A。由此可见,在重复ESD应用作用下,TVS仍能维持极高的性能,而压敏电阻的性能会随之下降,聚合物也面临着跟压敏电阻类似的问题。

  不过,用示波器对不同保护元件在ESD应力冲击测试下的大电流抑制特性或者说是I-V曲线进行屏幕截图对比也存在不足之处。首先便是这种屏幕截图上的V(t)与I(t)的变化非常复杂,且并不能测量击穿电压、维持电压、维持电流以及二次击穿电流等基础参数,而通过对这些参数的分析可以找到电路设计和工艺的弱点。

时域反射(TDR) TLP测试的结构示意图

图4:时域反射(TDR) TLP测试的结构示意图

  在这种情况下,采用传输线路脉冲(TLP)方法就是很好的下一步。所谓的TLP测试,就是一种利用矩形短脉冲(50~200 ns)来测量ESD保护元件的电流-电压特性曲线的方法。这个短脉冲用来模拟作用于保护元件的短ESD脉冲,而恒定阻抗的传输线路可以生成恒定幅度的方波。

  TLP测试通过方波测试脉冲加到待测器件(DUT)的两个引脚之间进行测试。TLP测试前要先对电路中的传输线路充电,测试时将被测器件接入,传输线路通过被测器件放电。改变电路和输入电压和传输线路的长度可以模拟在不同能量中的ESD脉冲,从而得到器件的ESD大电流抑制能力。TLP测试先从小电压脉冲开始,随后连续增加直到获得足够多的数据点,以作出完整的I-V曲线。通常测试脉冲的幅度会加大到使DUT彻底损伤为止,作而获得其精确的允许最大脉冲电流。

  总的来看,ESD保护元件的TLP测试方法优势突出,不仅可以确认屏幕截图数据,还可用于解析ESD保护元件的基础参数,非常适用于对不同保护元件进行对比。

不同ESD保护元件的TLP测试I-V曲线

图5:不同ESD保护元件的TLP测试I-V曲线

  结合ESD脉冲测试和TLP测试,我们可以得出结论,在不同ESD保护元件中,TVS元件,特别是安森美半导体的TVS元件的大电流导电率极佳,且在重复应力条件下仍能维持优异性能,不存在压敏电阻或聚合物那样的使用增多后会出现性能下降的问题;至于其在电容方面的不足,也随着新的低电容设计的出现,而消除了早前的大电容问题。

  不同便携应用的ESD保护解决方案

  按照TVS电容与传输速率的不同,安森美半导体将便携应用的ESD保护元件市场划分为三个区域。第一是标准ESD保护,满足大功率(高于100瓦)、最低钳位电压要求,适用于键区、按钮、电池接头、充电器接口、旁键等的保护,TVS电容在1,000 pF至100 pF之间;在这方面,安森美半导体有ESD5Z5、ESD9X等单向通用TVS产品。

  第二是高速ESD保护,要求数据传输率更快、低电容,应用于USB1.1、USB2.0FS、FM天线、SIM卡和音频线路等,TVS电容在40 pF至5 pF;在这方面,安森美半导体提供了ESD9C和ESD7C等单向TVS、ESD5B和ESD9B双向TVS、NUP4202和NUP2202等单向ESD保护阵列,以及NUP4xV、NUP8010和NUP5120等双向ESD保护阵列。


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ESD? 保护元件?

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