靜電放電(ESD)是造成電子產(chǎn)品和集成電路系統(tǒng)損壞的主要元兇之一,每年給電子行業(yè)帶來(lái)的損失高達(dá)數(shù)千億人民幣。ESD 對(duì)電子產(chǎn)品造成的損傷中有 90% 都是潛在性損傷,這類(lèi)損傷在出廠質(zhì)量檢測(cè)中難被檢測(cè)到,但會(huì)在產(chǎn)品使用過(guò)程中逐漸顯現(xiàn)出質(zhì)量問(wèn)題。因此,ESD 被視為是電子產(chǎn)品質(zhì)量最大的潛在威脅,而靜電防護(hù)也成為電子產(chǎn)品質(zhì)量控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
在靜電防護(hù)設(shè)計(jì)中,選擇合適的 ESD 保護(hù)器件至關(guān)重要。在所有靜電防護(hù)的應(yīng)用場(chǎng)景中,天線(xiàn)等射頻接口是對(duì) ESD 保護(hù)器件要求最高的場(chǎng)景之一。這類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景下,器件不僅要能在受到正向或者反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)極快地將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?,以吸收高能量的瞬時(shí)過(guò)壓脈沖并將其電壓鉗位于一個(gè)預(yù)定值,還要盡可能減少由于 ESD 保護(hù)器件的寄生參數(shù)或電氣特性帶來(lái)的諧波噪聲和互調(diào)干擾。諧波噪聲和互調(diào)干擾可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)模塊傳輸信號(hào)失真或者接收靈敏度下降,進(jìn)而增加通信的誤碼率。
ESD 保護(hù)器件的種類(lèi)
SG Micro Corp
常見(jiàn)的 ESD 保護(hù)器件主要包括壓敏電阻、陶瓷 TVS 二極管和硅 TVS 二極管等。
壓敏電阻的工作原理基于其非線(xiàn)性的伏安特性,響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較慢(通常在 ns 級(jí)),而其高達(dá)幾百 pF 的結(jié)電容使其不適宜直接應(yīng)用于高頻信號(hào)的保護(hù)。此外,壓敏電阻的 ESD 性能會(huì)隨著使用次數(shù)的增加而逐漸降低。
陶瓷 TVS 二極管采用電極間放電機(jī)制,其結(jié)電容很低,一些國(guó)際優(yōu)秀廠商的產(chǎn)品甚至可以做到 0.05pF。然而它們能夠承受的 ESD 脈沖次數(shù)有限,一般在 1000~10000 次之間。
硅 TVS 二極管是基于 PN 結(jié)雪崩擊穿原理,能夠在 ps 級(jí)時(shí)間內(nèi)吸收數(shù)千瓦的浪涌功率。雖然其結(jié)電容相對(duì)于陶瓷 TVS 略高,過(guò)往認(rèn)為不太適合用于射頻產(chǎn)品,但隨著工藝的進(jìn)步,硅 TVS 的結(jié)電容也在逐漸逼近陶瓷 TVS 的水平。此外,硅 TVS 的工作原理決定了其使用次數(shù)沒(méi)有限制,性能也不會(huì)隨著 ESD 脈沖的增加而下降。
圣邦微電子推出的 TVS 二極管是硅 TVS 二極管。器件結(jié)電容做到了 0.15pF,且已成功通過(guò) IEC61000-4-2 測(cè)試認(rèn)證。
接下來(lái),我們將主要介紹器件結(jié)電容低和屬于非回彈型TVS 二極管兩方面特性以及這兩種特性在射頻應(yīng)用中具備的優(yōu)勢(shì)。
一、低結(jié)電容 TVS 二極管特性及在射頻應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)
射頻技術(shù)為何青睞低結(jié)電容的 TVS 二極管?射頻芯片因其高工作頻率,對(duì)任何非預(yù)期的寄生參數(shù)都極為敏感,這些參數(shù)在高頻環(huán)境會(huì)放大其負(fù)面影響。因此,射頻領(lǐng)域?qū)?ESD 保護(hù)器件提出了更嚴(yán)苛的要求。圖1展示了圣邦微電子不同結(jié)電容 TVS 二極管在 10Gbps 高速信號(hào)傳輸情況下的眼圖。最左側(cè)的眼圖顯示了未經(jīng)PCB板傳輸?shù)男盘?hào),中間的眼圖顯示了僅通過(guò)空 IC PCB 板傳輸?shù)男盘?hào),最右側(cè)的眼圖則是經(jīng)過(guò)加裝 IC 的 PCB 板信號(hào)傳輸?shù)那闆r。
通過(guò)對(duì)比可以明顯看出,當(dāng) PCB 板加裝了結(jié)電容為 0.692pF 的 TVS 二極管后,傳輸信號(hào)波形發(fā)生了明顯畸變;相對(duì)地,使用結(jié)電容為 0.232pF 的 TVS 二極管時(shí),其眼圖與僅通過(guò)空 PCB 板傳輸?shù)难蹐D基本一致。這一結(jié)果標(biāo)明,TVS 二極管的結(jié)電容越小,對(duì)系統(tǒng)高速信號(hào)傳輸性能影響越小。
圖 1 不同結(jié)電容 TVS 二極管在高速信號(hào)傳輸情況下的眼圖
探查這一現(xiàn)象背后的機(jī)理,是射頻 IC 的源阻抗或電路板寄生電阻會(huì)與 TVS 二極管的結(jié)電容結(jié)合,形成一個(gè) RC 低通濾波器,這種濾波器對(duì)高頻信號(hào)有衰減作用。寄生電容的增加會(huì)導(dǎo)致 RC 低通濾波器的極點(diǎn)頻率下降,進(jìn)而增加插入損耗(Insert Loss,是指發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間,由于插入器件帶來(lái)的信號(hào)損耗,其定義為:IL = -10log(PO/PI),測(cè)試原理框圖可見(jiàn)圖 2)。
圖 2 TVS 二極管插入損耗測(cè)試原理框圖
表 1 列出了 SGM05FB1E2 和 SGM15UB1E2 這兩款器件的基本參數(shù),它們分別代表 5V 和 15V 的 TVS 保護(hù)器件。兩款產(chǎn)品均是雙向(Bidirectional)二極管,且結(jié)電容都小于 0.4pF。
表 1 SGM05FB1E2 和 SGM15UB1E2 的基本參數(shù)
根據(jù)圖 2 原理框圖進(jìn)行的插入損耗測(cè)試結(jié)果在表 2 中列出。SGM15UB1E2 在 2GHz 頻率的測(cè)試下,插入損耗僅為 -0.01dB;而在 6GHz 頻率的測(cè)試下,插入損耗也僅為 -0.02dB。這些數(shù)據(jù)表明,低結(jié)電容的 TVS 帶來(lái)的插入損耗是極低的。
表 2 SGM05FB1E2 和 SGM15UB1E2 的插入損耗
二、非回彈型 TVS 二極管特性及在射頻應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)
觸發(fā)電壓(Trigger Voltage)是 TVS 二極管從高阻抗?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換為低阻抗?fàn)顟B(tài)所需的最低電壓。對(duì)于回彈型(Snap-Back)TVS 二極管,觸發(fā)電壓標(biāo)記著進(jìn)入回彈區(qū)域的第一個(gè)拐點(diǎn);而對(duì)于非回彈型(Non-Snap-Back)TVS 二極管,其電流隨兩端的電壓增大而單調(diào)上升,不存在折返特性。
圖 3 展示了 GSM 天線(xiàn)接口連接電路。若 TVS 二極管的觸發(fā)電壓太高,可能無(wú)法觸發(fā)保護(hù)機(jī)制,導(dǎo)致周?chē)蛪浩骷軗p。天線(xiàn)等射頻接口電路的電容等元件一旦燒毀,極易影響濾波網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致二次、三次等諧波增大。因此,降低觸發(fā)電壓是 TVS 二極管研究的重要方向之一。
圖 3 GSM 天線(xiàn)接口連接電路
圖 4 展示了最大工作電壓為 15V 的陶瓷 TVS 二極管的 I-V 特性和漏電流曲線(xiàn)。其中黑色曲線(xiàn)代表 I-V 特性,藍(lán)色曲線(xiàn)代表漏電流。可以看出,這種陶瓷 TVS 二極管是典型的回彈型器件,其觸發(fā)電壓接近 200V。如此之高的觸發(fā)電壓使得陶瓷 TVS 二極管用在信號(hào)線(xiàn)上的應(yīng)用極易導(dǎo)致器件未能及時(shí)動(dòng)作而損壞后端被保護(hù)的 IC,其 ESD 防護(hù)性能不全面,存在很大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)可以看出,陶瓷 TVS 二極管的漏電流穩(wěn)定性較差。
相對(duì)的,圖 5 展示了最大工作電壓 15V 的硅 TVS 二極管(SGM15UB1E2)的 I-V 特性和漏電流曲線(xiàn)。該器件是非回彈型器件,觸發(fā)電壓低于 20V。超低的觸發(fā)低壓可以更早吸收浪涌能量,并極大降低浪涌電壓來(lái)臨時(shí)器件不動(dòng)作的概率。此外,器件的漏電流非常穩(wěn)定,保持在 55pA 左右。
圖 4 陶瓷 TVS 二極管的 I-V 特性和漏電流曲線(xiàn)
圖 5 硅 TVS 二極管的 I-V 特性和漏電流曲線(xiàn)
圖 6[1] 和圖 7[1] 分別展示了非回彈型和回彈型 TVS 二極管在 100MHz RF 信號(hào)下的電流和電壓瞬態(tài)波形。從圖中可以明顯看出,回彈型 TVS 的電流和電壓受到嚴(yán)重的 RF 信號(hào)干擾。表明回彈型 TVS 二極管很可能會(huì)導(dǎo)致更強(qiáng)的諧波,從而導(dǎo)致天線(xiàn)的靈敏度下降;而非回彈型 TVS 二極管在很大程度上不受 RF 信號(hào)的影響。因此,從諧波角度來(lái)看,非回彈型 TVS 二極管可能是更適合在天線(xiàn)等射頻應(yīng)用中使用的器件。
圖 6 100MHz RF 信號(hào)下的 TVS 二極管電流瞬態(tài)波形
圖 7 100MHz RF 信號(hào)下的 TVS 二極管電壓瞬態(tài)波形
最后,為了方便研發(fā)工程師快速而準(zhǔn)確地挑選圣邦微電子的 TVS 二極管型號(hào),圖 8 詳細(xì)展示了圣邦微電子 TVS 二極管產(chǎn)品命名規(guī)則。
圖 8 圣邦微電子 TVS 二極管命名規(guī)則
關(guān)于圣邦微電子
圣邦微電子(北京)股份有限公司(股票代碼 300661)專(zhuān)注于高性能、高品質(zhì)模擬集成電路的研發(fā)和銷(xiāo)售。產(chǎn)品覆蓋信號(hào)鏈和電源管理兩大領(lǐng)域,擁有 32 大類(lèi) 5200 余款可供銷(xiāo)售型號(hào),全部自主研發(fā),廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車(chē)電子、通信設(shè)備、消費(fèi)類(lèi)電子和醫(yī)療儀器等領(lǐng)域,以及物聯(lián)網(wǎng)、新能源和人工智能等新興市場(chǎng)。
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原文標(biāo)題:圣邦微電子硅 TVS 二極管:通過(guò) IEC61000-4-2 測(cè)試認(rèn)證的高性能射頻 ESD 防護(hù)器件
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