Mniejsze diody TVS o wyższych parametrach działania zapewniają lepszą ochronę

Wyładowania elektrostatyczne (ESD) lub udary zasilania mogą powodować uszkodzenia lub awarie wyrobów elektronicznych na etapie produkcji lub w trakcie użytkowania końcowego. Szacuje się, że wyładowania elektrostatyczne (ESD) mogą odpowiadać za pojedyncze awarie, a nawet powodować do jednej trzeciej wszystkich awarii komponentów. Sytuację dodatkowo pogarsza większa gęstość obwodów i wyższe wymagania eksploatacyjne.

Stany nieustalone napięcia, takie jak wyładowania elektrostatyczne (ESD), są zagrożeniami, które mogą mieć wpływ na sprzęt, od urządzeń powszechnego użytku po drogie urządzenia przemysłowe. Coraz większa zależność od mikroprocesorów, które są wrażliwe na takie zdarzenia i wykorzystywane w wielu różnych produktach, powoduje, że wybór właściwego rozwiązania ESD jest kluczowy dla zapewnienia zadowolenia klienta i osiągnięcia sukcesu komercyjnego.

Kiedy elektrony przemieszczają się po powierzchni materiału, mogą powodować nierównowagę ładunku. Gdy natężenie pola elektrycznego osiąga wystarczającą wartość, ładunki elektrostatyczne dążą do równowagi, co prowadzi do powstania wyładowań elektrostatycznych. Może to mieć katastrofalne skutki dla mikroelektroniki, prowadząc do awarii, opóźnień w dostawie produktów, utraty przychodów, a niekiedy utraty reputacji lub marki.

Nawet w czystym środowisku produkcji układów scalonych, komponenty mogą być narażone na wyładowania elektrostatyczne (ESD) podczas obróbki, montażu, testowania i pakowania. Model ciała ludzkiego (HBM) to najczęściej używany standard testowania, który ma na celu sprawdzenie, czy układy scalone są odporne na wpływ naładowanego elektrostatycznie ciała ludzkiego. Ciało ludzkie jest typowym źródłem wyładowań elektrostatycznych (ESD), które mogą oddziaływać na układ scalony i wytworzyć ładunek elektrostatyczny.

IEC 61000-4-2 to międzynarodowa norma dotycząca testowania wyładowań elektrostatycznych (ESD) przy użyciu modelu ciała ludzkiego. Stanowi ona istotny punkt odniesienia w testach sprzętowych na poziomie systemu, mający na celu zapewnienie, że dane urządzenie wytrzyma zdarzenia przejściowe, w tym ochronę odgromową, gdy trafi do rąk użytkowników w rzeczywistym świecie.

Tłumienie napięć przejściowych

W miarę zagęszczania geometrii układów scalonych, tradycyjne parametry elektrostatyczne (ESD) nie wystarczają, aby sprostać zagrożeniom na poziomie systemu. Aby zabezpieczyć obwody zasilania i szybkiej transmisji danych, projektanci muszą korzystać z nowoczesnych technologii tłumienia napięć przejściowych (TVS) wykraczających poza model ciała ludzkiego (HBM) oraz wbudowaną ochronę urządzeń przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD).

Ochronniki TVS stają się coraz bardziej konieczne do ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) na popularnych liniach przesyłu danych w urządzeniach z interfejsami HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, antenami oraz innymi standardowymi złączami. Aby uniknąć wyładowań elektrostatycznych (ESD) w gotowych produktach, począwszy od urządzeń ubieralnych i klawiatur, a skończywszy na smartfonach i kamerach do Internetu rzeczy (IoT), potrzebne są solidne środki ochrony.

Diody TVS można umieścić na liniach zasilania lub przesyłu danych, aby chronić je przed zdarzeniami przejściowymi, przekierowując przepięcia z dala od chronionego obwodu. Podczas stanów nieustalonych napięcie na chronionej linii szybko wzrasta i może osiągać wartości dziesiątek tysięcy woltów. W normalnych warunkach pracy dioda TVS stanowi przerwę w obwodzie, ale może zatrzymać szczytowe wyładowania elektrostatyczne (ESD) na poziomie systemu w czasie krótszym niż jedna nanosekunda, przekierowując prądy o wysokim natężeniu.

Niektóre z kluczowych cech przy wyborze rozwiązania TVS to:

• Pojemność (C) - naturalna zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego
• Wytrzymywane napięcie wsteczne (V_RWM) - maksymalne napięcie, przy którym obwód może działać bez aktywacji diody TVS
• Napięcie progowe (V_C) - poziom napięcia, przy którym ochronnik TVS zaczyna przekierowywać nadmiar prądu z chronionego obwodu (niższe od V_RWM)
• Napięcie przebicia w stanie zaporowym (V_BR) - napięcie, przy którym ochronnik TVS przechodzi w tryb niskiej impedancji
• Szczytowy prąd impulsu (I_PP) - maksymalny prąd, który ochronnik TVS może obsłużyć przed uszkodzeniem
• Szczytowa moc impulsu (P_PP) - chwilowa moc rozpraszana przez ochronnik TVS podczas zdarzenia

Zagadnienia dotyczące obudów TVS

Umiejscowienie diod TVS wpływa na ich parametry działania, a bliskość punktu wejścia wyładowania elektrostatycznego (ESD) zapewnia lepsze zabezpieczenie. Obudowy półprzewodników odgrywają również kluczową rolę w ochronie delikatnej elektroniki nowoczesnych systemów przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD).

Wybierając diody TVS do swoich produktów, projektanci powinni skupić się na konkretnym żądanym poziomie ochrony przeciwprzepięciowej, liczbie linii, które muszą być chronione, oraz rozmiarach obudowy dostosowanych do dostępnej przestrzeni na płytce.

Wybierając ochronnik TVS do swoich produktów, projektanci powinni skupić się na konkretnym żądanym poziomie ochrony przeciwprzepięciowej, liczbie linii, które muszą być chronione, oraz rozmiarach obudowy dostosowanych do dostępnej przestrzeni na płytkach. Ze względu na swoje rozmiary mogą one jednak zajmować znaczną przestrzeń na płytce drukowanej i często wywołują zjawiska pasożytnicze, które negatywnie wpływają na parametry działania.

Na szczęście obudowy DFN (Dual Flat No-Lead) oferują kompaktowe wymiary i wszechstronność, które mogą być lepiej dostosowane do zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD). Obudowy DFN nie mają przedłużonych wyprowadzeń, a ich punkty styku znajdują się pod komponentem, a nie wzdłuż jego obwodu, zapewniając oszczędność miejsca w porównaniu do obudów z odprowadzeniami do montażu powierzchniowego (SMD).

Obudowy DFN zapewniają znakomite rozpraszanie ciepła dzięki zastosowaniu odsłoniętego pola termicznego na spodzie, które może łatwo łączyć się z płytką drukowaną, pełniąc funkcję zintegrowanego radiatora. Charakteryzują się one również niższą liczbą elementów pasożytniczych w porównaniu do obudów SMD z oprowadzeniami, co pomaga zachować integralność sygnału w zastosowaniach wysokich prędkości.

Obudowy DFN charakteryzują się jednak ograniczoną widocznością połączeń lutowanych na płytkach drukowanych, co utrudnia potwierdzenie prawidłowego połączenia podczas procesu montażu po umieszczeniu obudowy.

Przezwyciężanie problemów powodowanych przez obudowy DFN

Firma Semtech rozwiązała problemy powodowane przez obudowy DFN, stosując diody TVS w modułach DFN z opakowaniami typu flip-chip i zwilżanymi bokami (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przykładowa ilustracja przedstawiająca obudowę DFN firmy Semtech ze zwilżanymi bokami, stosowaną w diodach TVS. (Źródło ilustracji: Semtech)

Do wykonywania połączeń z podłożem, obudowy typu flip-chip wykorzystują wypustki lutownicze zamiast przewodów. Zwilżane boki zapewniają, że lutowie rozprowadza się od spodu obudowy, płynie wzdłuż bocznej ścianki i tworzy widoczne połączenie lutowane.

Dzięki tej technice, systemy zautomatyzowanej inspekcji wizualnej (AVI) są w stanie walidować prawidłowe połączenie z płytkami drukowanymi poprzez wizualne badanie wypustek lutowniczych utworzonych między pionową stroną boku a polem lutowniczym, zapewniając niezawodność połączeń.

Zastosowanie zwilżanych boków zwiększa niezawodność, poprawia wydajność i zapewnia odporność na drgania oraz wstrząsy, które mogą powodować uszkodzenie połączeń. Powłoka cynowa pokrywa miedziane zaciski, chroniąc miedź przed utlenianiem w miarę upływu czasu.

Wykorzystując obudowy typu flip-chip i zwilżane boki, firma Semtech wprowadziła szereg jednorzędowych diod TVS w formacie DFN 0402 (1,0mm x 0,6mm x 0,55mm), dostosowanych do zastosowań motoryzacyjnych.

Ochronniki TVS 0402 DFN są przeznaczone do ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) w antenach radiowych i FM, kontrolerach ekranów dotykowych, liniach 12V₌, przyciskach bocznych i klawiaturach, portach audio, urządzeniach IoT, przyrządach przenośnych, wejściach-wyjściach ogólnego przeznaczenia (GPIO) i sprzęcie przemysłowym.

Urządzenia Semtech zapewniają zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) dla złączy:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• USB Type-C® na szybkich liniach sygnałowych
• Linii kanału konfiguracyjnego (CC) i wykorzystania pasma bocznego (SBU), używanych do negocjowania zasilania, przesyłu danych i trybów alternatywnych połączonych kablem USB Type-C
• Linii VBus
• Linii przesyłu danych D+/D-, które przenoszą sygnały różnicowe dla USB i innych protokołów starszego typu

Zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) firmy Semtech dla układów jednokanałowych, linii przesyłu danych i linii VBUS w postaci obudów ze zwilżanym bokiem są dostępne w wersjach RClamp i μClamp urządzeń chroniących przed wyładowaniami elektrostatycznymi. Zapewniają one ochronę na poziomie płytki, charakteryzującą się niskim napięciem roboczym i napięciem progowym, krótkim czasem odpowiedzi i brakiem degradacji urządzenia.

Produkty RClamp (RailClamp) to między innymi:

• RCLAMP01811PW.C: daje projektantom możliwość elastycznego zabezpieczania pojedynczych linii w urządzeniach o ograniczonej przestrzeni, takich jak smartfony, notebooki i akcesoria. Wytrzymuje napięcia ±30kV (kontakt) i ±30kV (powietrze) zgodnie z normą IEC 61000-4-2, przy niskiej pojemności 1,2pF (maks.). Chroni pojedynczą linię o napięciu roboczym 1,8V z niskim prądem upływu wstecznego 100nA (maks.) przy V_R = 1,8V.
• RCLAMP04041PW.C: do ochrony pojedynczych linii w zastosowaniach, w których układy nie są praktyczne, na przykład do przenośnych zastosowań wykorzystujących USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL i urządzeń ubieralnych. Dzięki napięciu roboczemu 4,0V i niskiej pojemności 0,65pF (maks.), zapewnia zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) dla szybkich linii, zgodnie z normą IEC 61000-4-2 ±30kV (kontakt i powietrze) oraz IEC 61000-4-5 (wyładowania atmosferyczne) 20A (t_p = 8/20µs).
• RCLAMP2261PW.C: jednoliniowy ochronnik TVS o napięciu roboczym 22V i prądzie udarowym 18A (t_p = 8/20μs) zgodnie z normą IEC 61000-4-5 oraz napięciu wytrzymywanym ±25kV (kontakt) i ±30kV (powietrze) zgodnie z normą IEC 61000-4-2. Typowe zastosowania obejmują połączenia USB Type-C, linie komunikacji bliskiego zasięgu (NFC), anteny radiowe (RF) i FM oraz urządzenia IoT.

Linia ultramałych urządzeń μClamp (MicroClamp) obejmuje:

• UCLAMP5031PW.C: jednoliniowy ochronnik TVS o napięciu roboczym 5V, napięciu wytrzymywanym ±30kV (kontakt) i ±30kV (powietrze), zgodnie z normą IEC 61000-4-2. Projektanci mogą go wykorzystywać w sprzęcie przemysłowym, przyrządach przenośnych, notebookach, słuchawkach, klawiaturach i portach audio.
• UCLAMP1291PW.C: jednoliniowy ochronnik TVS o napięciu roboczym 12V, charakteryzujący się niską typową rezystancją dynamiczną, niskim szczytowym napięciem progowym ESD i wysokim napięciem wytrzymywanym ESD ±30kV (kontakt i powietrze) zgodnie z IEC 61000-4-2. Jego zastosowania obejmują telefony komórkowe i akcesoria, notebooki oraz urządzenia ręczne i przyrządy przenośne.
• UCLAMP2011PW.C: jednoliniowy ochronnik TVS 20V o wysokiej wytrzymałości udarowej 3A (t_p=8/20μs) zgodnie z normą IEC 61000-4-5. Typowe zastosowania obejmują urządzenia peryferyjne, urządzenia przenośne i oprzyrządowanie.
• UCLAMP2411PW.C: jednoliniowy ochronnik TVS 24V, odpowiedni do szerokiego zakresu zastosowań, w tym szyn zasilających 24V₌, linii przesyłu danych układów scalonych ze sterownikami Chip-on-Glass, urządzeń peryferyjnych i przenośnych. Charakteryzuje się prądem udarowym 3A (t_p = 8/20μs) zgodnie z normą IEC 61000-4-5.

Podsumowanie

Rosnąca gęstość obwodów elektronicznych i wyższe parametry działania produktów wymagają nowego podejścia do ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi i innymi udarami napięciowymi. Nowe obudowy firmy Semtech pozwalają uzyskać mniejsze diody tłumiące napięcia przejściowe, które oferują projektantom produktów większą elastyczność, wysoką odporność na prądy udarowe oraz niskie napięcia progowe, co sprawia, że są one doskonałe do ochrony wrażliwej elektroniki.