I. خطرات ESD و نیازهای حفاظتی

تخلیه الکترواستاتیکی (ESD) پدیده‌ای است که در آن بار انباشته شده روی سطح یک جسم به سرعت آزاد می‌شود، مانند احساس "شوک الکتریکی" هنگام لمس یک دستگاه الکترونیکی توسط انسان. ولتاژ آزاد شده در یک لحظه می‌تواند به هزاران ولت یا بالاتر برسد و باعث آسیب دائمی به تراشه‌های نیمه‌هادی شود. به عنوان مثال، هنگامی که انگشتی با بار ساکن رابط تلفن را لمس می‌کند، جریان ESD ممکن است اکسید گیت داخل تراشه را از طریق مدار بشکند و منجر به خرابی دستگاه شود.

برای مقابله با این تهدید، مهندسان معمولاً دیودهای محافظ ESD را در مدارها مستقر می‌کنند. وظیفه اصلی آنها هدایت سریع جریان به زمین در طول رویداد ESD و جلوگیری از تحمل ولتاژ بیش از حد توسط اجزای حساس است. چنین دستگاه‌هایی به ویژه برای رابط‌های در معرض دید مانند USB، HDMI و CAN - مکان‌هایی که بیشتر در معرض شوک‌های ESD خارجی هستند - مناسب هستند.

دوم. اصول کار اصلی دیودهای ESD

یک نمونه‌ی معمول از دیودهای ESD، دیود سرکوبگر ولتاژ گذرا (TVS) است که مکانیسم عملکرد آن بر اساس اثر شکست بهمنی پیوندهای PN است:

۱. حالت عادی: دیود در حالت امپدانس بالا قرار دارد و بر انتقال سیگنال مدار تأثیری نمی‌گذارد. برای مثال، در رابط‌های USB، ظرفیت پارازیتی دیودهای ESD باید تا چند پیکوفاراد یا کمتر کنترل شود (مثلاً ESD1CANFD2 شرکت TI فقط ۲.۵ پیکوفاراد است) تا از تداخل با انتقال داده با سرعت بالا جلوگیری شود.

۲. در هنگام ضربه ESD: هنگامی که ولتاژ از آستانه شکست (مثلاً تخلیه تماس ۸ کیلوولت) فراتر رود، دیود به سرعت هدایت می‌کند و امپدانس آن به نزدیک صفر کاهش می‌یابد و جریان را به زمین منحرف می‌کند. در این مرحله، ولتاژ دو سر دیود به سطح ایمنی (یعنی "ولتاژ مهار") محدود می‌شود. به عنوان مثال، ESD2B8ST9G از شرکت ON Semiconductor دارای ولتاژ مهار ۱۲.۵ ولت در جریان ۱۶ آمپر است که از تراشه‌های backend در برابر شوک‌های ولتاژ بالا محافظت می‌کند.

۳. ویژگی‌های بازیابی: پس از پایان رویداد ESD، دیود به طور خودکار به حالت امپدانس بالا برمی‌گردد و مدار به عملکرد عادی خود ادامه می‌دهد. این فرآیند تنها چند نانوثانیه طول می‌کشد و تضمین می‌کند که یکپارچگی سیگنال بدون تغییر باقی می‌ماند.

III. پارامترهای فنی کلیدی و اصول انتخاب

۱. ولتاژ شکست (VBR) و ولتاژ کار (VRWM)

VRWM حداکثر ولتاژی است که دیود می‌تواند در حین عملکرد عادی تحمل کند و باید بالاتر از ولتاژ سیگنال مدار باشد. به عنوان مثال، اگر محدوده سیگنال 0-3.6 ولت باشد، باید قطعه‌ای با VRWM ≥ 3.6 ولت انتخاب شود؛ در غیر این صورت، ممکن است جریان نشتی رخ دهد. VBR ولتاژ بحرانی است که در آن دیود شروع به هدایت می‌کند، که معمولاً 10٪ تا 20٪ بیشتر از VRWM است.

۲. ساختارهای دو جهته و یک جهته

● دیودهای دو جهته: دارای منحنی‌های IV متقارن، مناسب برای سیگنال‌های دو جهته (مثلاً خطوط تفاضلی HDMI)، محافظت در برابر شوک‌های مثبت و منفی ESD.

● دیودهای یک‌طرفه: اجازه می‌دهند جریان فقط در یک جهت عبور کند، برای سیگنال‌های تک‌قطبی (مثلاً خطوط برق USB) ایده‌آل است و محافظت بهتری در برابر ولتاژهای منفی ارائه می‌دهد. به عنوان مثال، ESD2CANFD24 از شرکت TI دارای طراحی دوطرفه است که برای ارتباط دوطرفه در گذرگاه‌های CAN خودرو بهینه شده است.

۳. مقاومت دینامیکی (RDYN) و ولتاژ کلمپ

RDYN شیب افزایش ولتاژ را در طول رویداد ESD تعیین می‌کند. مقاومت دینامیکی پایین‌تر منجر به ولتاژ کلمپ پایین‌تر و محافظت بهتر می‌شود. به عنوان مثال، یک دیود ESD ممکن است ولتاژ کلمپ ۱۳.۴ ولت در جریان ۱۶ آمپر داشته باشد، در حالی که دیگری با مقاومت دینامیکی پایین‌تر (همانطور که در منحنی سبز TLP نشان داده شده است) ولتاژ کلمپ تنها ۱۰ ولت در همان جریان دارد.

۴. ویژگی‌های ظرفیت

برای رابط‌های پرسرعت (مثلاً USB3.0)، مدل‌هایی با ظرفیت خازنی پایین مورد نیاز است. برای مثال، سری SL15 شرکت ON Semiconductor با استفاده از دیودهای جبران‌ساز سری، ظرفیت خازنی را به زیر 5 پیکوفاراد کاهش می‌دهد که برای انتقال داده 5 گیگابیت بر ثانیه مناسب است.

IV. استانداردها و آزمایش‌های صنعتی حفاظت از ESD

استاندارد IEC 61000-4-2 که توسط کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC) تدوین شده است، مبنای اصلی حفاظت در برابر ESD است:

● سطح تخلیه تماسی: تا ۸ کیلوولت (سطح ۴)، شبیه‌سازی تخلیه هنگام تماس مستقیم با تجهیزات.

● سطح تخلیه هوا: تا ۱۵ کیلوولت، شبیه‌سازی تخلیه استاتیک از طریق شکاف‌های هوایی.

نکته قابل توجه این است که بین میزان ESD خود تراشه (مثلاً مدل HBM) و الزامات حفاظت در سطح سیستم تفاوت وجود دارد. به عنوان مثال، یک تراشه ممکن است در تست HBM با ولتاژ 2 کیلوولت قبول شود اما در تست IEC با ولتاژ 2 کیلوولت رد شود، زیرا مدل IEC افزایش جریان سریع‌تری (<1ns) و انرژی بالاتری دارد. بنابراین، دیودهای ESD خارجی برای افزایش حفاظت در سطح سیستم ضروری هستند.

V. سناریوهای کاربردی معمول و توصیه‌های طراحی

۱. لوازم الکترونیکی مصرفی: رابط‌های USB-C در تلفن‌ها و تبلت‌ها معمولاً از آرایه‌های دیود ESD چند کاناله (مثلاً دستگاه‌های بسته‌بندی‌شده SOT-1 شرکت Dongwo Electronics) برای محافظت از خطوط برق و داده استفاده می‌کنند.

۲. الکترونیک خودرو: گذرگاه‌های CAN نیاز به استحکام دارند؛ ESD2CANFD2 شرکت TI از تخلیه تماسی ±۲۵ کیلوولت پشتیبانی می‌کند و نیازهای قابلیت اطمینان بالای سیستم‌های درون خودرو را برآورده می‌سازد.

۳. تجهیزات صنعتی: در خطوط ارتباطی RS3، دیودهای ESD با ظرفیت پایین (مثلاً مدل ۰.۵pF مربوط به ESD485) از اعوجاج سیگنال جلوگیری می‌کنند.

کلیدهای طراحی:

● دیودهای ESD را تا حد امکان نزدیک به رابط قرار دهید تا مسیر جریان کوتاه شود.

● برای اطمینان از تخلیه با امپدانس پایین، از مقاومت‌های سری بین دیود و زمین اجتناب کنید.

● برای سیگنال‌های فرکانس بالا، ظرفیت خازنی و ولتاژ کلمپ را متعادل کنید.

ششم. تصورات غلط رایج و پیشرفت‌های تکنولوژیکی

۱. تصور غلط: فرض اینکه میزان تخلیه الکترواستاتیکی (ESD) خود تراشه (مثلاً HBM 1kV) برای محافظت از سیستم کافی است. در واقعیت، استاندارد HBM فقط تخلیه الکترواستاتیکی را در محیط‌های تولیدی شبیه‌سازی می‌کند، در حالی که استاندارد IEC به سناریوهای استفاده در دنیای واقعی نزدیک‌تر است.

۲. روندهای تکنولوژیکی: با افزایش ادغام تراشه‌ها، دیودهای ESD به سمت ظرفیت خازنی کمتر (مثلاً ۰.۱pF) و چگالی توان بالاتر (مثلاً حفاظت چند کاناله تک بسته‌ای) حرکت می‌کنند. به عنوان مثال، دیودهای TVS توشیبا از طریق فرآیندهای بهینه شده ویفر، به پارامترهای پارازیتی کمتری در بسته‌های QFN دست می‌یابند.

خلاصه

دیودهای ESD "فیوزهای" دستگاه‌های الکترونیکی هستند. طراحی آنها نیاز به بررسی جامع ویژگی‌های مدار، تداخل محیطی و استانداردهای صنعتی دارد. انتخاب راه‌حل‌های مناسب برای محافظت در برابر ESD (مثلاً ساختارهای دو جهته/یک جهته، مدل‌های با ظرفیت کم) و پیروی دقیق از آزمایش IEC 61000-4-2 می‌تواند قابلیت اطمینان و طول عمر دستگاه را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. چه در لوازم الکترونیکی مصرفی و چه در کنترل صنعتی، دیودهای ESD "نگهبانان نامرئی" هستند که بی‌صدا از عملکرد پایدار سیستم‌های الکترونیکی مدرن محافظت می‌کنند.

درباره‌ ی ما SLKOR:

SLKORشرکت تیانجین، که دفتر مرکزی آن در شنژن چین واقع شده است، یک شرکت ملی با فناوری پیشرفته و به سرعت در حال ظهور در بخش نیمه‌هادی‌های قدرت است. این شرکت با داشتن مراکز تحقیق و توسعه در پکن و سوژو، تیم فنی اصلی خود را از دانشگاه تسینگهوا استخدام کرده است. به عنوان یک نوآور در فناوری دستگاه‌های قدرت کاربید سیلیکون (SiC)، SLKORمحصولات این شرکت به طور گسترده در وسایل نقلیه با انرژی جدید، تولید برق فتوولتائیک، اینترنت اشیا صنعتی و لوازم الکترونیکی مصرفی مورد استفاده قرار می‌گیرد و راه‌حل‌های نیمه‌هادی حیاتی را برای بیش از 10,000،XNUMX مشتری در سراسر جهان ارائه می‌دهد.

این شرکت سالانه بیش از 2 میلیارد واحد تولید می‌کند که در آن‌ها ماسفت‌های SiC و دیودهای SBD نسل پنجم با بازیابی فوق سریع، معیارهای صنعتی را در نسبت راندمان و پایداری حرارتی تعیین می‌کنند. SLKOR دارای بیش از ۱۰۰ اختراع ثبت شده و بیش از ۲۰۰۰ مدل محصول است و به طور مداوم سبد مالکیت معنوی خود را در زمینه دستگاه‌های برق، حسگرها و آی‌سی‌های مدیریت برق گسترش می‌دهد. گواهینامه‌هایی از جمله ISO 100، EU RoHS/REACH و انطباق با CP2,000 نشان دهنده تعهد راسخ این شرکت به نوآوری تکنولوژیکی، تولید ناب و توسعه پایدار است.