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电子系统用ESD保护零件的探讨

   2007-08-20 EE DESIGN2310

图说:
Region In Which Protection Must Work = 保护组件作动区
Current = 电流
Vinput = 输入电压
Normal Signal Range = 正常信号范围
Device Damage = 组件破坏
Protection I-V = I-V保护区线
 

图四:保护元件与集成电路元件安排的简化示意图。

图说:
Input = 输入
Ground = 接地
Protection Component = 保护组件
Integrated Circuit = 集成电路组件
System = 系统

对保护组件的进一步探讨可以透过图四中的电路进行,保护组件以串联一颗电阻的理想齐纳(Zener)二极管来代表,芯片本身则可以视为一组以并联方式连接的简单组件,电阻RIC代表了正常运作情况下以及遭受ESD能量冲击时的电流路径,串联的二极管DIC与电阻RIC则代表了当电压超出正常运作范围时会启动的导通机制或接面崩溃,电容CIC代表电路中闸极氧化物等电介质,芯片中的每个电路元素在超出某些条件时都可能会因状态的瞬间变化而失效,RIC以及DIC/RIC的组合会在功率耗损过大时失效,造成电路组件的溶化情形,CIC则会因电介质的崩溃而在临界电压失效,保护组件的责任就是避免电路中的集成电路组件到达失效点。

保护组件的型式

保护组件,例如闸流极(Thyristor)与气体放电管(Gas Discharge Tube)在保护电路免于交流电源线或闪电冲击时相当有效,不过由于它们的反应速度太慢而不足以提供ESD保护,因此我们在此并不加以讨论。保护组件的分类可以透过表二中的保护方式与方向性来进行。保护策略可以分为两个部分,分别为图五中的电压箝位以及消弧组件(crowbar),电压箝位组件会因电压的不同表现出不同的电阻值,在低电压时电阻值相当高,但到达特定电压后,电阻值则会快速下滑,避免电压的进一步升高,消弧组件则同样地在低电压时拥有高电阻,但在到达触发电压时则会导通另一个新传导路径让电压下降。

保护组件以零电压为中心点的对称I-V曲线决定了组件为单向性或双向性保护,单向保护组件拥有不对称的I-V曲线,通常应用在保护单一极性的电路上,双向保护组件则相对于0 V拥有对称的特性表现,相当适合应用在拥有对称电压特性的电路接点保护,单向与双向I-V特性的范例可以参考图六。

型態 材質 方向性 保護策略
變阻器 金氧元件 雙向 電壓箝位
高分子元件 具備導電粒子的高分子元件 雙向 消弧元件
瞬態電壓抑制器 矽 單向或雙向  電壓箝位

表二:突波保護元件的型态
 

图五:电压箝位(红线)与消弧元件(黑线)保护范例。
 
图说:
Current = 電流
Voltage = 电压
Clamping Voltage = 箝位电压
Trigger Voltage = 触发电压

 
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