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TI新一代ESD保护器件的特点及应用实例分析

电子设计 2021-06-28 17:27 次阅读

作者:Roger Liang ,德州仪器TI) 大容量线性部门

引言

由于其不断减少的处理节点,数字和模拟IC越来越容易受到静电放电 (ESD) 的损坏,因此为了保证充分的系统级ESD保护,离散式ESD保护二极管成为一种必需组件。过去,我们把VCC连接添加至二极管,目的是降低其结电容。随着新型二极管技术的出现,现在却不再需要。本文将向您介绍过去为什么需要VCC连接,并解释现在却不使用它的一些原因。

ESD是两个不同电势的物体接触时出现的静电释放现象。例如,在天气干燥的冬天,在把印刷电路板PCB) 封装到填充有泡沫的箱子里时,最高可产生20 kV 的ESD 。为了确保电子终端设备不受日常ESD 现象的损害,通常要求使用离散式二极管,其拥有比标准2kV人体模型 (HBM) 更稳健的ESD额定值。离散二极管的ESD额定值直接与二极管的p-n结点面积成比例关系;但是,结点越大,寄生电容就越大。为了不影响二极管的ESD额定值,添加一个VCC连接是一种IC设计方法,它可以有效降低二极管的寄生电容,但有可能会损坏连接至VCC的所有其他器件。然而,工艺技术的最新进展,让二极管设计人员不再需要VCC连接,并同时能够保证低电容和高ESD额定值。

二极管特性

二极管是最为基本的半导体器件。它由一个p型和一个n型结点组成,具有两个端头:一个p型端的阳极和一个n型端的阴极(请参见图1)。当从阴极向阴极(反向偏置)施加一个足够大的电压时,二极管进入其击穿区域。理论上讲,电阻为零时,它可以传导无限数量的电流。使用另一个方向(正向偏置)施加电压,会使二极管进入其正向导电区域。图2显示了一个基本二极管的IV曲线,它的阴极接地,电压穿过阴极。尽管针对不同应用有许多不同类型的二极连接管,但这里要讨论的是ESD保护应用的超快速响应二极管。这些二极管可以非常快速地对高ESD电压做出响应,并通过分流ESD电流至接地,在几纳秒时间内便可把数千伏电压降低至仅仅数十伏。

影响二极管寄生电容的因素有两个:结电容(由于过渡层内的电荷变化)和扩散电容(由于中性区域内的过剩载流子)。在反向偏置区域由结电容主导,其为ESD二极管的正常应用区。二极管的结电容描述如下:

其中:

A为结面积。εSi为硅的介电常数。q为一个库仑电荷。NA为受主掺杂浓度。ND为施主掺杂浓度。φ0为结点的内建电压。VA为在结点上施加的偏置电压。

在应用级,VA越高,结电容越低(请参见图3)。这是因为,以前的二极管技术要求一个VCC偏置来稳压VA,-从而降低寄生电容。使用VCC连接还让系统工程师可以在VCC节点添加一个大电容(请参见图4),它起到一个电荷库的作用,目的是吸收一些过多的ESD能量,从而逐渐增加ESD保护。

把高速二极管用于ESD保护

为了设计出一种高ESD额定值、低电容的二极管结构,通常使用三二级管方法(参见图5和6),原因有三个:

1、相比在反向击穿区域,二极管在正向导电区域可以承受更强的电流。

2、隐藏式 (hiding) 二极管1和齐纳二极管可抵制正ESD电击。

3、隐藏式二极管2可抵制负ESD电击。

两个更小的“隐藏式”二极管与一个更大的齐纳二极管串联。由于其串行结构,隐藏式二极管的电容更小,可有效隐藏齐纳二极管的大电容。在正ESD电击期间,隐藏式二极管1进入其正向导电区域。齐纳二极管进入其反向击穿区域,从而形成一条通路,让ESD 电流被分流至接地,而不会进入受保护器件内部。大齐纳二极管的大尺寸,让其能够在击穿区域承受大电流。在负ESD电击期间,隐藏式二极管2进入其正向导电区域,把ESD 能量直接引导至接地。在上面任何一种电击事件中,隐藏式二极管都可处理大量的ESD 电流,因为它们绝对不会击穿,只会进入正向导电区域。

不使用VCC连接的好处

过去几年,二极管制造技术取得了巨大的进步,实现了更低的结电容,并且没有牺牲高ESD额定值。这些进步包括:

。 从横向二极管结构变为纵向二极管结构

。 更高的单位面积ESD性能

。 NA和ND掺杂更少,却可以达到相同的正向击穿电压

这些进步意味着,在降低结电容来支持高速接口时-不再需要使用VCC连接。不使用VCC连接,给系统工程师带来如下三方面的好处:

1、没有泄露电流进入内部电源

2、不会对内部电源造成ESD损坏

在正ESD电击期间,VCC 沿着ESD电流的放电路径,并且它的电压水平为I/O 处箝位电压以下一个VF(~0.5到0.7 V)。尽管由于分流电容的使用,在面对ESD时电源已经非常稳健,但这种升高的电压水平非常可能会损坏由VCC 驱动的器件(图8)。情况一样,如果VCC不连接至ESD二极管,则无需担心。

3、无需外部电容

德州仪器公司(TI)的ESD二极管工艺开发重点加强整体p-n结构,以便让其能够承受更大的ESD 电压。由于TI的新一代ESD 保护二极管拥有高达30 kV的额定值,因此使用一个附加电容仅可提高少许总ESD额定值。使用一个便会达到“收益递减”点。不使用电容,可减少材料数目清单,节省成本,并为其他重要器件留出更多的PCB空间。

TI新一代ESD保护器件例子

TI的TPD2E2U06 ESD保护器件便是二极管技术进步的一个重要例子。与它的前辈不同,TPD2E001 不要求VCC 连接,但保持相同的电容,电压更低,并且ESD额定值增加了两倍。(参见表1)其他TI的类似ESD保护器件还包括TPD4E1U06、TPD4E1U06和TPD4E05U06。

表1 TPD2E001 和TPD2E2U06规范对比表

结论

不要求VCC 连接的ESD 保护二极管带来了许多好处。VCC引脚不需要电容来增加ESD额定值。它减少了组件-数目,简化了布局,并且降低了布局成本。不使用VCC 连接,还保证了没有漏电流进入到电源中,同时不会对本应通过VCC连接至电源的内部节点造成ESD损坏。

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AMIS-30543 微步电机驱动器

543是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过IO引脚和SPI接口与外部微控制器连接。它具有片上稳压器,复位输出和看门狗复位功能,可为外围设备供电。 AMIS30543包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号以及DIR(方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。芯片提供速度和负载角度输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它使用专有的PWM算法进行可靠的电流控制。 AMIS30543采用I2T100技术实现,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 特性 优势 可编程峰值电流高达3A 高度集成和降低系统成本 128微步 更高的系统分辨率和更安静的电机操作 速度和负载角度输出 启用真正的无传感器闭环控制电机 可编程PWM电压斜率 优化的EMC配置文件 有源反激式二极管 降低BOM成本和提高可靠性 集成电源和监视器支持rt用于外部MCU 降低总系统复杂性和BOM成本 应用 终端产品 数控设备 工业制造设备 纺织设备 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 19:02 424次 阅读
AMIS-30543 微步电机驱动器

NCV8881 LDO稳压器 1.5 A 低压差

1由一个降压开关稳压器(SMPS)和一个SMPS输出欠压监控器和CPU看门狗电路组成。此外,还提供两个固定电压低压差稳压器输出,并共享LDO输出电压状态输出。一旦使能,稳压器操作将继续,直到看门狗信号不再存在。 NCV8881适用于必须承受40 V负载突降的汽车电池连接应用。开关稳压器能够将典型的9 V至19 V汽车输入电压范围转换为3.3 V至8 V的输出,并具有恒定的开关频率,可以通过电阻编程或与外部时钟信号同步。使能输入阈值和迟滞是可编程的,使能输入状态在开漏点火缓冲器输出处复制。稳压器受限流,输入过压和过温关断以及SMPS短路关断保护。 特性 1.5 A开关稳压器(内部电源开关) 100 mA,5 V LDO输出 40 mA,8.5 V LDO输出 工作范围5 V至19 V 可编程SMPS频率 SMPS可以同步到外部时钟 可编程SMPS输出电压低至0.8 V ±2%参考电压容差 内部SMPS软启动 电压模式SMPS控制 SMPS逐周期电流限制和短路保护 内部自举二极管 逻辑电平使能输入 使能外部电阻分压器可编程输入迟滞 启用输入状态在开放...
发表于 07-30 19:02 252次 阅读

NUD3160 继电器驱动器 48 V

微集成器件提供单组件解决方案,可以在不需要续流二极管的情况下切换感应负载,如继电器,螺线管和小型直流电机。它接受逻辑电平输入,因此允许它由各种设备驱动,包括逻辑门,逆变器和微控制器。 特性 在DC之间提供强大的接口继电器线圈和敏感逻辑 能够在12 V,24 V时驱动额定电流高达150 mA的继电器线圈或48 V 以更低的成本取代3或4个离散组件 内部齐纳二极管消除了对自由二极管的需求 符合装载转储和其他汽车规格 应用 终端产品 驱动器窗口,门闩,门和天线继电器 汽车 工业设备 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 12:02 317次 阅读
NUD3160 继电器驱动器 48 V

NUD3105D 继电器驱动器 5.0 V 双通道

备用于切换感应负载,如继电器,螺线管白炽灯和小型直流电机,无需使用空转二极管。该器件集成了所有必需的产品,如MOSFET开关,ESD保护和齐纳钳位。它接受逻辑电平输入,因此允许它由各种设备驱动,包括逻辑门,反相器和微控制器。 特性 在DC之间提供强大的驱动程序接口继电器线圈和敏感逻辑电路 优化开关继电器从3.0 V到5.0 V电压轨 能够驱动额定功率高达2.5 W,5.0 V 的继电器线圈 内部齐纳二极管消除了对续流二极管的需求 内部齐纳钳位路由引起的电流接地以实现更安静的系统操作 低VDS(on)降低系统电流排水 应用 电信:线路卡,调制解调器,答录机和传真 计算机和办公室:复印机,打印机和台式电脑 消费者:电视和录像机,立体声接收器,CD播放器,盒式录音机 工业:小家电,安全系统,自动测试设备,车库门开启器 汽车:5.0V驱动继电器,电机控制,电源锁和灯驱动器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 12:02 232次 阅读
NUD3105D 继电器驱动器 5.0 V 双通道

NUD3124 继电器驱动器 24 V

微集成器件提供单组件解决方案,可以在不需要续流二极管的情况下切换感应负载,如继电器,螺线管和小型直流电机。它接受逻辑电平输入,因此允许它由各种设备驱动,包括逻辑门,逆变器和微控制器。 特性 在DC之间提供强大的接口继电器线圈和敏感逻辑 能够在12伏特下驱动额定电流高达150 mA的继电器线圈 以更低的成本取代3或4个离散组件 内部齐纳二极管消除了对自由二极管的需求 满足负载转储和其他汽车规格 应用 终端产品 驱动窗口,门闩,门,天线继电器 汽车 工业设备 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 12:02 237次 阅读
NUD3124 继电器驱动器 24 V

MC79L 线性稳压器 100 mA 5 V 负极

0负线性稳压器是一款价格低廉,易于使用的器件,适用于需要高达100 mA电流的众多应用。与功率更高的MC7900系列负调节器一样,该线性稳压器具有热关断和电流限制功能,使其非常坚固耐用。在大多数应用中,无需外部元件即可运行。 MC79L00线性稳压器适用于卡上调节或需要适度电流水平的稳压负电压的任何其他应用。与常见的电阻/齐纳二极管方法相比,该稳压器具有明显的优势。 规格: MC79L00AB MC79L00AC 容差 4% 4% 温度范围 -40°C到+ 125°C 0°C至+ 125°C 封装 SOIC-8,TO-92 SOIC-8,TO-92 特性 无需外部组件 内部短路电流限制 内部热过载保护 低成本 提供的互补正稳压器(MC78L00系列) 无铅封装是Av ailable 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 06:02 251次 阅读
MC79L 线性稳压器 100 mA 5 V 负极

MC78L 线性稳压器 100 mA 5至24 V 正极

0A系列线性稳压器是价格低廉,易于使用的器件,适用于需要高达100 mA稳压电源的众多应用。与其更高功率的MC7800和MC78M00系列同类产品一样,这些稳压器具有内部限流和热关断功能,使其非常坚固耐用。在许多应用中,MC78L00设备无需外部组件。与传统的齐纳二极管 - 电阻器组合相比,这些线性稳压器具有显着的性能优势,因为输出阻抗和静态电流显着降低。 规格: MC78L00AB MC78L00AC 容差 4% 4% 温度范围 -40°C至+ 125°C 0°C至+ 125°C 封装 SOIC-8,TO-92 SOIC-8,TO-92,SOT -89 特性 广泛的可用固定输出电压 低成本 内部短路电流限制 内部热过载保护 无需外部组件 互补提供负调节器(MC79L00系列) 无铅封装是Av ailable 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 05:02 614次 阅读
MC78L 线性稳压器 100 mA 5至24 V 正极

FAN4868UC33X 3 MHz 同步稳压器

8是一款低功耗升压稳压器,旨在通过单节锂离子或锂离子电池提供稳定的3.3 V输出。输出电压选项固定为3.3 V,在VIN = 2.3 V时保证最大负载电流为200 mA,在VIN = 3.3 V时保证300 mA。关断模式下的输入电流小于1μA,从而最大限度地延长电池寿命。 PFM操作是自动的并且“无故障”。该稳压器可在低负载时保持低至37μA静态电流的输出调节。内置功率晶体管,同步整流和低电源电流的组合使FAN4868成为电池供电应用的理想选择.FAN4868可在6-凸点0.4 mm间距晶圆级芯片尺寸封装(WLCSP)。 特性 使用少量外部元件工作:1μH电感和0402外壳尺寸输入和输出电容 输入电压范围为2.3 V至3.2 V 固定3.3 V输出电压选项 最大负载电流> 150 mA,VIN = 2.3 V 最大负载电流300 mA,VIN = 2.7 V,VOUT = 3.3 V 低工作静态电流 True Load Disc关机期间的连接 具有轻载省电模式的可变导通时间脉冲频率调制(PFM) 内部同步整流器(无需外部二极管) 热关断和过载保护 6-Bump WLCSP,0.4 mm间距 应用 终端产品 为3.3 V核心导轨供电 PDA...
发表于 07-30 05:02 217次 阅读

NCP302155 集成驱动器和MOSFET 55 A.

155将MOSFET驱动器,高端MOSFET和低端MOSFET集成在一个封装中。驱动器和MOSFET已针对高电流DC-DC降压功率转换应用进行了优化。与分立元件解决方案相比,NCP302155集成解决方案大大降低了封装寄生效应和电路板空间。 特性 平均电流高达55A 能够以高达2 MHz的频率切换 兼容3.3 V或5 V PWM输入 支持Intel®PowerState 4 使用3级PWM的零交叉检测选项 内部自举二极管 热警告输出和热关机 应用 终端产品 台式机和笔记本微处理器 服务器和工作站,V-Core和非V核DC-DC转换器 大电流DC-DC负载点转换器 小型电压调节器模块 电源和笔记本 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 22:02 501次 阅读

NCP303151 集成驱动器和带集成电流监视器的MOSFET

151将MOSFET驱动器,高端MOSFET和低端MOSFET集成到单个封装中。驱动器和MOSFET已针对高电流DC-DC降压功率转换应用进行了优化。与分立元件解决方案相比,NCP303151集成解决方案大大降低了封装寄生效应和电路板空间。 特性 能够达到50 A的平均电流 30 V / 30 V击穿电压MOSFET具有更高的长期可靠性 能够以高达1 MHz的频率切换 与3.3兼容V或5 V PWM输入 正确响应3级PWM输入 精确电流监测 具有3级PWM的过零检测选项 内部自举二极管 欠压锁定 支持英特尔®PowerState 4 应用 桌面和笔记本微处理器 图形卡 路由器和交换机 支持英特尔®PowerState 4 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 22:02 838次 阅读

NCP302055 集成驱动器和MOSFET 50 A.

055将MOSFET驱动器,高端MOSFET和低端MOSFET集成在一个封装中。驱动器和MOSFET已针对高电流DC-DC降压功率转换应用进行了优化。与分立元件解决方案相比,NCP302055集成解决方案大大减少了封装寄生效应和电路板空间。 特性 平均电流高达50A 能够以高达2 MHz的频率切换 兼容3.3 V或5 V PWM输入 支持Intel®PowerState 4 使用3级PWM的零交叉检测选项 内部自举二极管 热警告输出和热关机 热关机 应用 终端产品 台式机和笔记本微处理器 服务器和工作站,V -Core和非V-DC DC-DC转换器 大电流DC-DC负载点转换器 小型电压调节器模块 电源和笔记本 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 21:02 365次 阅读

NCV8872 汽车级非同步升压控制器

2是一款可调输出非同步升压控制器,用于驱动外部N沟道MOSFET。该器件采用峰值电流模式控制和内部斜率补偿。该IC集成了一个内部稳压器,为栅极驱动器提供电荷。保护功能包括内部设置软启动,欠压锁定,逐周期电流限制,打嗝模式短路保护和热关断。其他功能包括低静态电流睡眠模式和外部同步开关频率。 特性 优势 工厂可编程 灵活性 4.8 V至45 V操作 使用反极性保护二极管通过起动和负载转储进行操作 -40 C至150 C操作 汽车级 双功能启用/同步引脚 紧凑SOIC8包中的额外功能 应用 终端产品 仪表盘 引擎集群 启动/停止应用程序 导航 LED背光 汽车应用 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 21:02 224次 阅读
NCV8872 汽车级非同步升压控制器

NCP81174 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

74是一款通用型四相同步降压控制器。它结合了差分电压检测,差分相电流检测和PWM VID接口,为计算机或图形控制器提供精确的稳压电源。它可以从处理器接收节电命令(PSI),并以单相二极管仿真模式工作,以获得轻载时的高效率。双边沿多相PWM调制确保快速瞬态响应,并尽可能减少电容。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 显卡的电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 667次 阅读