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PB2015.08 TVS二极管标称参数与静电放电防护能力研究

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摘要:通过搭建ESD测试系统,测量TVS二极管的ESD防护性能,比较其标称参数与ESD防护性能之间的关系。结果表明,TVS二极管的反向击穿电压在一定程度上能够反映ESD防护能力,反向击穿电压与ESD峰值电流、ESD钳位电压呈线性关系,标称钳位电压略低于实际ESD钳位电压,而其他标称参数与ESD防护能力关联较小。标称参数难以全面反映器件的ESD防护能力。

关键词:瞬变电压抑制二极管;标称参数;静电放电测试方法;静电放电防护能力

目前集成化、多功能化的电子产品应用广泛,而且产品的工艺尺寸不断缩小,这使得静电放电(ESD)问题日益严峻[1-2]。静电危害会导致产品故 障或性能下降,降低使用寿命。如何提高产品的静 电放电防护能力受到学者们的广泛关注,使用ESD防护器件是有效的解决方案之一[3]。但目前没有统一的标准来评估静电防护器件的防护性能,这给ESD防护器件的选择和ESD防护设计带来了诸多 的不利。本文以常用的防护器件瞬变电压抑制二极管为对象,研究其标称参数与ESD防护性能的相关性。

1TVS二极管简介

TVS即瞬变电压抑制二极管(Transientvolt-agesuppressordiode),是一种常用的静电防护器 件[4-5],将其并联到保护结构两端,能够及时泄放瞬态大电流,实现电路防护。

1.1TVS二极管的工作原理

TVS是一种半导体二极管,内部是由硅通过扩散工艺形成的PN结[6-7]。TVS用作静电防护时,内部PN结处于反向偏置状态。在一定电压范围内,PN结截止,仅有很小的漏电流流过,TVS表现为高阻抗状态。当反向电压高于PN结反向击穿电压时,由于PN结的内电场很强,少数载流子受到强电场作用,获得很大的能量,并与其他原子发生碰撞,形成新的电子、空穴对,增加了载流子数量,新的载流子又会在强电场作用下碰撞形成更多的电子、空穴对,造成连锁反应,使反向电流迅速增大,此时TVS表现为低阻抗状态,并吸收大量脉冲功率,使两极间电压钳位在一个预定值。利用TVS的雪崩击穿特性,可实现ESD防护[8]。

1.2TVS二极管的标称参数

TVS的数据手册中给出了一系列标参 数。一个双向TVS的典型参数如图1所示。其中,IT是测试电流,常为1mA;VBR是测试电流条件下的击穿电压,即内部PN结雪崩击穿电压值;VRWM是反向工作峰值电压,略小于击穿电压;IR是器件端电压为VRWM时的最大反向漏电流;IPP是规定脉冲条件下(10/1000μs标准指数波形)最大反向峰值电流;VC是反向电流达到峰值IPP时的钳位电压。手册中还列出标称功率值,为在测试波形下的峰值消散功率PPK=IPP·VC。

上述TVS的典型参数在一定程度上能表征其工作特性,但并不能全面地反映TVS器件对静电放电的响应。

 静电放电实验研究

2.1ESD防护参数

衡量保护器件抗静电放电能力的参数主要有:器件鲁棒性、静态工作参数、动态保护工作参数。器件鲁棒性指器件自身对静电放电的耐受能力,健壮的鲁棒性能保证器件正常工作而不受损伤。静态工 作参数的意义在于受保护结构或系统正常工作时,保护器件不会降低系统工作性能,尤其是保证输入输出信号的完整性,主要参数有漏电流、电容值等。动态保护工作参数则能够表征系统受到静电放电脉 冲攻击时,器件泄放脉冲电流、保护后级组件不受ESD脉冲损伤的能力,主要参数有导通时间、钳位时间、钳位电压、峰值电压、峰值电流等。

TVS二极管的鲁棒性较高,通常都能满足电路设计要求,不是选件的首要考虑因素。由于工艺原因,TVS二极管的静态工作参数相差不大(尤其是同一生产商的情况下),静态工作参数常作为参考参数衡量器件是否满足设计要求。根据ESD设计窗的要求进行ESD设计时,动态保护工作参数是设计 师们主要的考虑因素。静态工作参数和鲁棒性都可以直接测量。本文搭建系统测量TVS的动态保护工作参数,并结合标称参数,分析TVS的ESD防护能力。

2.2实验方案

为了能够有效评估器件的ESD防护能力,并模拟真实工作情况,本文设计的测试方法原理如图2所示。其中,50Ω电阻模拟了后级受保护结构,它 由特征阻抗一定的测试系统构成,能够直观地测量得到保护器件的电压钳位能力;电流采样电阻用于观测器件的泄流能力,用电流靶实现。使用ESD防护器件的目的是提升系统 ESD抗扰度,系统级测试标准为IEC61000-4-2标准[9],因此放电源选取为该标准中规定的人体金属模型接触式放电波形。

3测试结果与数据分析

3.1TVS器件对静电放电的响应

根据原理图搭建测试系统,并选取多个不同型号的TVS器件,依次设置放电电压为2、4、6、8kV,进行放电实验。根据电压和电流响应波形,得到器件对静电脉冲的响应规律。不同型号的响应规律相似,以型号为 P6KE68CA的TVS二极管为例说明,图3和图4为测试结果。

从图3和4图中可以看出,在静电放电脉冲开始后,电压迅速上升,TVS触发导通,电流瞬间增大,同时电压在几纳秒内降低到某一恒定值并维持稳定,而电流则升至峰值。之后随着脉冲的减弱,电流也随之降低,直至静电放电脉冲结束。

比较不同放电电压的波形,除峰值有所不同外,其余部分几乎重合,这表明TVS对不同放电电压响应的时间以及钳位效果相同。峰值电压主要受引线电感以及器件响应速度的影响,随放电电压的升高而升高。在脉冲刚开始的几纳秒内,TVS器件并没有完全触发,其电压幅值主要取决于注入静电放电 脉冲的大小;待 TVS完全导通后,ESD钳位电压变化不大,在85~110V之间,主要因为TVS的导通 电阻较小,大电流仅引起电压的微小变化。同时,由 于钳位电压相对稳定,当放电电压增加时,电流也随之增大,将ESD脉冲的能量释放到大地。

3.2TVS二极管的标称参数与ESD防护能力的关联

TVS二极管的标称参数中,反向工作峰值电压和最大反向漏电流主要反映TVS在截止状态下的工作状况,而TVS的静电放电防护能力则与其在反向击穿状态下的参数有关,主要有反向击穿电压、最大反向峰值电流、钳位电压以及标称功率等。

(1)反向击穿电压

选取标称功率为600W、反向击穿电压分别为18、33、68、91、120V的TVS二极管进行测试,整理各器件在放电电压为2、4、8kV 情况下的峰值电压、钳位电压和峰值电流,并进行线性拟合分析,如图5-7所示。图中实心点为实测数据点,直线为数据点的线性拟合曲线。

在图5中,峰值电压的变化非常小,主要因为静 电放电波形具有很陡峭的上升沿,其上升时间小于TVS响应时间,因此TVS没能削弱该波形的第一个峰值,该峰值主要取决于放电电压。在图6和图7中,TVS的ESD钳位电压随着器件反向击穿电压的增加而增加,且略高于器件反向击穿电压,但峰值电流随着反向击穿电压的升高而略有下降,这说明器 件的反向击穿电压虽不能直接表明器件的ESD防护水平,但能定性的反映器件的ESD动态保护特性。

(2)标称功率

TVS标称功率是在10/1000μs的指数波形下 测量得到的峰值功率,但该测试波形与静电放电波形不同,因此需要讨论该标称功率与器件ESD防护效果的关系。分别选取标称功率为600W和1500W的几组TVS进行测试,其中一组的测试结果如图8和图9所示。

从图8和图9中可以看出,标称功率不同的TVS器件对同一放电电压的响应曲线几乎重合,标称功率与ESD动态保护特性无关。而且ESD峰值 功率要远大于器件标称功率,但器件仍能正常工作,说明标称功率不能直观反映器件对ESD的耐受能力。若要评定TVS的鲁棒性,还需要进行ESD抗扰度测试。

(3)钳位电压

由于TVS二极管并非理想器件,存在较小的导通阻抗,剧烈变化的电流仍能引起电压的微弱变化,因此只能给出TVS器件对ESD响应的钳位电压的 范围,难以定义具体的ESD钳位电压值。但结合图3可以看出,ESD钳位电压范围约为85~110V,略 高于标称参数的钳位电压68V。而且其他TVS器件也具有相同的规律,即ESD钳位电压范围略高于 标称参数钳位电压值。

其他标称参数,由于测试波形选取不同或应用范围不一致,与ESD防护能力不相关,不进行研究。

 

TVS的技术手册中给出了反向击穿电压、钳位 电压、峰值电流等参数,但其测量波形与静电放电波形有很大不同,因此手册中的参数不能有效反映TVS的静电放电防护能力。本文用人体金属模型作为放电源,对TVS二极管进行了ESD测试,并重点分析其标称参数与ESD动态保护特性的关系。

研究结果表明,器件标称功率既与ESD动态防护特性无关,也不能直观反映器件的鲁棒性水平,但标称功率与静态工作特性和器件鲁棒性是否关联有 待深入研究;标称钳位电压值与 ESD钳位电压值具有相同的数量级,但标称值略低于ESD的钳位值,不能直接将标称值应用于ESD设计中;反向击穿电压与ESD防护能力关联性最大,却难以直接反映ESD防护的具体参数值,但ESD峰值电流、ESD钳位电压与反向击穿电压呈线性关系,基于本文所绘曲线,可以对TVS器件的ESD防护参数进行估计, 同时也可根据实际需求(如电路所需钳位电压、泄放电流大小等)选择 TVS二极管的型号。总之,TVS二极管的标称参数并不能全面地反映器件的ESD防护能力,选用TVS二极管进行ESD设计时,还需进行详细测试以确定选件标准。本文的研究给工程师在选择TVS进行静电放电防护设计时提供了理论基础和指导性意见。