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ESD 및 고 에너지 서지에 대한 새로운 접근법

The science of static electricity - Anuradha Bhagwat (12 월 2018).

Anonim

과도 전류 억제 기 2 단 장치의 보호 이점은 기존의 TVS 기술보다 우수합니다.

고속 데이터 기술이 더욱 빠르고 작아지면서 정전기 방전 (ESD) 및 번개 서지에 대한 민감성이 증가했습니다. 이제는 그 어느 때보 다 손상을 방지하지만 시스템의 고주파 작동을 방해하지 않는 강력하고 효과적인 서지 보호 솔루션이 필요합니다. 새로운 과도 전류 억제 기 (TCS) 기술은 이러한 까다로운 요구 사항을 충족시키는 새로운 접근 방식을 제공합니다.
전자 산업에 대한 ESD 손상의 실제 비용에 대한 일부 추정치는 수십억 달러에 달한다. 보험 정보 학회 (Insurance Information Institute)에 따르면, 번개로 인한 피해는 작년에 비해 미국에서 5.5 % 증가했으며, 이는 주로 가전 제품의 수와 가치가 상승했기 때문입니다. 번개가 치는 비용 보험 회사는 2011 년 평균 5, 112 달러의 청구를 냈으며, 전년도의 4, 846 달러보다 많습니다. 이러한 높은 비용과 전자 장비의 손상 가능성으로 인해 고속 데이터 애플리케이션을위한 적절한 회로 보호 기능이 그 어느 때보다도 중요합니다.
이 기사에서는 과도 전압 보호 장치 (TVS) 다이오드와 같은 전압 제한 소자를 사용하여 기존의 단일 스테이지 보호를 검토하고이 보호 방법의 한계를 강조한다. 새로운 TCS 기술을 소개하는 회로 보호에 대한 새로운 접근 방식이 제시 될 것입니다. 이 새로운 접근 방식은 전압 제한 장치와 함께 2 단계 구성으로 보호 된 신호 라인과 직렬로 TCS 디바이스를 사용합니다. 이 새로운 2 단계 보호 장치의 성능 및 보호 효율성 이점은 기존의 TVS 기술보다 훨씬 뛰어납니다.

1 단 회로 보호
TVS 다이오드는 설계 인터페이스에서 ESD 에너지를 흡수하는 전자 보호 장치입니다. TVS 다이오드의 기본 동작은 그림 1에 나와있다 .
TVS 다이오드는 일반적으로 라인을 통과하는 신호 동작 전압의 정상 범위에서 높은 임피던스로 나타난다. 인터페이스의 서지가 사전 설정된 한계를 초과하면 TVS 다이오드가 전도성으로 변하여 전압이이 안전 수준 이상으로 빠르게 상승하는 것을 제한합니다. 이상적인 TVS 다이오드는 정상적인 신호에 간섭을 일으키지 않으면 서 인터페이스의 전압이 안전하지 않은 수준에 도달하는 것을 방지하는 "벽돌 벽"클램핑 전기 특성을 생성합니다.

그림 1 : 이상적인 전압 제한 장치의 기본 작동.

실제로, 반도체 TVS 다이오드의 특성은 이상적인 클램프 장치의 수직 특성과 다릅니다. 실제 TVS 다이오드는 저전압에서 높은 저항을 나타내지 만, 전압이 증가함에 따라 "누설 전류"가 접합부의 항복 전압 근처에서 흐르기 시작합니다. 결과적으로 이상적인 클램프의 급격한 수직 "벽돌 벽"특성보다 훨씬 부드러운 실제 클램핑 특성을 얻을 수 있습니다. TVS 장치가 클수록 더 많은 누설이 발생하여 특히 고온에서 회로의 작동에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 클램핑 동작으로의 이러한 부드러운 전이를 허용하기 위해 선택된 클램핑 전압이 이상적이어야합니다. 회로에 대해 선택된 실제 클램프 전압은 신호를 간섭하지 않는 충분히 높은 레벨과 보호를 최대화하기에 충분한 낮은 전압 사이의 절충안입니다.
인터페이스와 접지 사이에 TVS 다이오드를 연결하기 만하면 해당 인터페이스를 구동하는 저전압 장치를 보호하는 데 항상 효과적인 것은 아닙니다. 예를 들어, 일반적인 TVS 디바이스의 경우, 11 A의 방전 동안 피크 전압이 20 V에 도달 할 수 있습니다. 이는 많은 저전압 반도체 기술의 절대 최대 정격을 훨씬 초과합니다. 서지로부터 인터페이스 디바이스를 보호하는 대신, TVS 다이오드는 에너지의 일부를 단순히 멀리 우회하여 서지 에너지의 일부를 보호 회로에 전파시킨다. 높은 수준의 "렛 쓰루 (let-through)"에너지는 흔히 흔히 일컬어지기 때문에 고 - 서지 에너지에 노출되는 것이 일반적 일 수있는 혹독하거나 노출 된 환경에서의 서지 조건 하에서 장비 손상을 초래할 수 있습니다.

2 단계 회로 보호 : 새로운 접근법
TCS 디바이스는 전압 제한 장치와 함께 2 단계 설계에서 보호 된 신호 라인과 직렬로 사용될 때 방호 수준을 크게 향상시키는 새로운 회로 보호 방식입니다. TCS 장치의 특성은 그림 2에 나와 있습니다. 정상적인 신호 전류가 낮 으면 TCS 장치는 낮은 값의 저항처럼 동작합니다. 서지 조건 하에서 전류가 안전한 레벨 이상으로 구동 될 때, TCS 장치는 매우 신속하게 전류 제한 상태로 전환됩니다. 그림 3 은 TCS 장치 구성과 회로 기호를 보여줍니다.

그림 2 : TCS 장치의 실제 IV 곡선

그림 3 : 회로 보호 솔루션에 TCS 장치 구현

TCS 디바이스는 보호 소자에 직렬로 전류 제한 단을 추가하여 전압 제한 소자의 특성을 보완함으로써 스트레스를 감소시킨다. 서지가 발생하면 인터페이스의 전압이 높아져 전류가 TCS 장치를 통해 흐릅니다. 전류 제한에 도달하면 TCS 장치는 전류가 더 이상 증가하지 못하도록하여 자신을 가로 지르는 전압을 증가시킵니다. 이것은 전류가 거의 일정한 수준으로 제한되기 때문에 매우 높은 블로킹 저항을 나타낸다. 전류가 제한되어있어 보호 장치의 전압이 더 이상 상승하지 않고 안전한 수준으로 유지됩니다. TCS 장치의 다른 쪽에서는 전압 고정 장치의 활성화 전압에 도달 할 때까지 전압이 계속 상승합니다. TCS 장치가이 전압을 차단하므로 클램핑이 시작되고 최대 전압 클램프 전압이 TVS보다 훨씬 높을 수 있습니다. 피크 클램핑 전압은 TCS 디바이스의 최대 정격 전압 ± 40V와 같이 높을 수 있으며, 대부분의 애플리케이션에 간단하고 저렴한 저용량 다이오드 레일 클램프를 사용할 수 있습니다. 운전자가 경험 한 보호 단계의 전반적인 성능은 이상적인 "벽돌 벽"클램프의 작동과 매우 유사합니다.
그 이름에서 알 수 있듯이 TCS 장치는 TVS 다이오드와 직접적으로 유사합니다. TVS 다이오드는 과도 전압을 제한하고 TCS 디바이스는 과도 전류를 제한합니다. 펀치 스루 TVS 다이오드와 같은 TCS 소자의 특성은 또한 폴드 백 (foldback) 정도를 나타내므로 전압이 추가로 증가함에 따라 전류가 최대 값에서 약 30 % 떨어지게된다. 이 폴드 백은 TCS 장치의 과도 전력 처리를 향상시키고 보호 장치의 스트레스를 최소화합니다.
제한 동작을 달성하기위한 정상적인 응답 시간은 50ns 미만입니다. TCS 디바이스의 전류 제한 동작 속도는 고주파 전자 장비 요건을 포함하여 모든 표준 번개 서지 테스트 파형 (1.2 / 50μs, 10 / 1, 000μs 등)을 보호하는 데 이상적입니다.
새로운 TCS 디바이스는 효과적인 ESD 및 서지 보호 솔루션을 제공합니다. 기존의 TVS 다이오드와 달리 향상된 보호 기능은 대역폭을 줄이고 데이터 전송 속도 성능을 저하시키는 용량 성 장치를 추가하는 비용이 들지 않습니다. TCS 소자의 전류 제한 특성과 TVS 다이오드 또는 클램프 다이오드의 전압 제한 특성을 결합한 2 단계 보호 설계를 사용하면 회로 성능을 저하시키지 않고보다 견고하고 저렴한 회로 보호 솔루션을 제공 할 수있다.

By ANDY MORRISH, 반도체 제품 담당 최고 기술 책임자, Bourns, www.bourns.com