Chọn TVS để bảo vệ tín hiệu trên PCB

Do tiến bộ công nghệ, độ dày của cổng oxit của nhiều thiết bị bán dẫn thu hẹp dần và nguy cơ ESD (Phóng tĩnh điện) trở nên mạnh hơn. Mặc dù mạch bảo vệ ESD không phải là mạch quan trọng nhất so với các mạch I/O khác, nhưng chúng vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc tránh hư hỏng trên các thiết bị điện tử. Theo Reportlinker, thị trường thiết bị bảo vệ ESD toàn cầu được dự đoán sẽ tăng trưởng 345,63 triệu USD từ năm 2020 đến năm 2024 với tốc độ CAGR là 5%. Có nhiều loại thiết bị bảo vệ ESD khác nhau, chẳng hạn như điốt Zener, biến trở, SCR (Bộ chỉnh lưu điều khiển bằng Silicon) và TVS (Bộ dập điện áp tức thời), v.v. Gần đây TVS là thiết bị bảo vệ được sử dụng rộng rãi nhất do khả năng bảo vệ tuyệt vời của nó mạch trong có điện dung nhỏ và tốc độ đáp ứng nhanh. Vì các thiết bị bảo vệ ESD rất cơ bản và thiết yếu nên các nhà cung cấp hầu hết là các nhà cung cấp chất bán dẫn lớn. Những nhà sản xuất chính trên thị trường bao gồm nhưng không giới hạn như Infineon, Murata, Nexperia, ROHM, ON Semiconductor, STMicroelectronics, Texas Instruments, v.v.

Lý thuyết và mô hình ESD

Khi đặt 2 vật có điện tích khác nhau gần nhau, xung điện phóng tĩnh điện (ESD) có thể xảy ra. Đối với bất kỳ đối tượng nào là thiết bị điện tử, dòng điện ESD có thể gây ra thiệt hại không thể phục hồi cho nó. Do đó, một mạch bảo vệ ESD trở nên vô cùng quan trọng.

Mạch bảo vệ ESD, được làm bằng các thiết bị bảo vệ ESD, cung cấp một đường phóng điện cho các mạch mà nó bảo vệ khi dòng điện ESD xảy ra. Đường phóng điện có điện trở thấp sẽ cho dòng điện chạy qua và kẹp điện áp ở mức tương đối thấp để tránh bất kỳ thiệt hại nào đối với các chân I/O hoặc các mạch bên trong.

Mạch bảo vệ ESD

Xung ESD và điện áp kẹp trước và sau khi áp dụng thiết bị ESD

Nói chung, IEC 61000-4-2 được sử dụng rộng rãi như là tiêu chuẩn ESD cấp hệ thống. So với mẫu HBM ESD cấp thành phần, điện dung và điện trở phóng điện của cấp hệ thống và cấp thành phần là 150pF / 330Ω và 100pF / 1500Ω. Chúng ta có thể chỉ ra rằng mô hình ESD cấp hệ thống có điện dung tích trữ năng lượng lớn hơn và khả năng chống phóng điện nhỏ hơn. Trong điều kiện của cùng một điện áp thử nghiệm ESD, năng lượng của thử nghiệm ESD cấp hệ thống lớn hơn nhiều so với năng lượng của HBM.

Lý do của sự khác biệt này là HBM được sử dụng để phản ánh các sự kiện ESD có thể xảy ra trong quá trình sản xuất vi mạch thương mại. Và trong quá trình đó, môi trường phải luôn được kiểm soát tốt để tránh bất kỳ thiệt hại nào của ESD. Tuy nhiên, chúng tôi không thể kiểm soát môi trường nơi người dùng cuối sử dụng các sản phẩm hệ thống điện tử của họ (ví dụ: máy tính xách tay, điện thoại thông minh, v.v.), vì vậy chúng tôi phải kiểm tra các sản phẩm hệ thống bằng các phương pháp và tiêu chí kiểm tra ESD nghiêm ngặt hơn để giảm tỷ lệ trả lại một cách hiệu quả từ khách hàng cuối cùng và cải thiện hình dung về thương hiệu.

Cách chọn thiết bị bảo vệ ESD phù hợp

Để chọn thiết bị bảo vệ ESD thích hợp (thường là TVS) để xây dựng mạch ESD, người ta nên xem xét điện áp hoạt động tối đa, điện dung ký sinh (Cin), cấu hình chân, điện áp kẹp, loại đóng gói package và khả năng miễn nhiễm ESD.

Trước khi xác định điện áp hoạt động của bất kỳ thiết bị bảo vệ ESD nào, người ta cần biết điện áp làm việc của các mạch dưới bảo vệ ESD. Thông thường, điện áp hoạt động tối đa của thiết bị bảo vệ ESD tương tự như điện áp làm việc của các mạch. Ví dụ, một bộ chuyển đổi USB 2.0 với 5V Vbus sẽ cần một thiết bị ESD hoạt động ở 5V hoặc cao hơn 5V một chút.

Sau khi chọn đúng điện áp hoạt động của thiết bị bảo vệ ESD, người ta có thể quyết định điện dung ký sinh (Cin) của nó. Cin thay đổi từ dưới 0,5pF đến hơn hàng trăm picofarad và sẽ ảnh hưởng đến tốc độ của sản phẩm cuối cùng. Để bảo vệ tín hiệu giao diện tốc độ cao, Cin cần phải nhỏ; để bảo vệ đường dây điện, Cin sẽ tương đối không giới hạn. Ngoài ra, người ta cũng nên cân nhắc ảnh hưởng của biến dạng trên Cin đối với các tín hiệu giao diện tốc độ cao. Biểu đồ mắt eye diagram thường được sử dụng để kiểm tra xem các tín hiệu có bị ảnh hưởng hoặc bị bóp méo bởi Cin hay không.

Hơn nữa, đặc tính một chiều hoặc hai hướng và điện áp kẹp của thiết bị bảo vệ ESD cũng được yêu cầu phải được lựa chọn, và một tham số quan trọng khác của thiết bị ESD là loại đóng gói. Đối với các sản phẩm cuối cùng khác nhau, có nhiều tùy chọn gói. Đối với các sản phẩm khá nhỏ, 0402 (1mm x 0,6mm x 0,45mm) hoặc 0201 (0,6mm x 0,3mm x 0,3mm) sẽ là loại gói phù hợp. Mặt khác, các loại gói DFN (Dual Flat No-lead hoặc SOT (Small Outline Transistor) phù hợp với các sản phẩm có kích thước trung bình.

Cuối cùng, thiết bị bảo vệ ESD phải có khả năng miễn nhiễm ESD. Ít nhất, thiết bị phải vượt qua cấp 4 IEC 61000-4-2, là ± 8kV ở chế độ tiếp xúc và ± 15kV ở chế độ không khí.

Một ví dụ về các thông số ESD quan trọng (Nguồn: TECHDesign, Amazing)

Amazing phát hành sản phẩm bảo vệ ESD

Amazing Microelectronic Corp., nhà cung cấp giải pháp ESD chuyên nghiệp đầu tiên ở Đài Loan, đã phát triển loạt sản phẩm TVS hoàn chỉnh để thực hiện bảo vệ ESD. Dòng sản phẩm này bao gồm tốc độ cao / thấp, điện áp cao/thấp, kiểu đóng gói nhỏ và dòng TVS ô tô, v.v. Từ AZ1 đến AZ9, Amazing cung cấp các sản phẩm TVS khác nhau với điện áp hoạt động tối đa khác nhau, điện dung ký sinh, loại đóng gói, v.v. .

Giờ đây, tại TECHDesign, có nhiều sự lựa chọn cho TVS bảo vệ ESD, từ điện dung cực thấp đến cao, từ bảo vệ giao diện dữ liệu tốc độ cao đến bảo vệ đường dây điện, với điện áp hoạt động ở 3.3, 5 và 12V. Các thiết bị TVS bảo vệ ESD này có thể được áp dụng cho bảng điều khiển nhỏ, nguồn điện, thiết bị điện tử tiêu dùng, các ứng dụng di động cầm tay, v.v.

Các sản phẩm của Amazing tại TECHDesign (Source: TECHDesign, Amazing)

Kết luận

ESD (Phóng tĩnh điện) là một vấn đề nghiêm trọng trong các thiết bị điện tử và việc bảo vệ các thiết bị này khỏi hư hỏng do ESD luôn là điều mà các nhà thiết kế mong muốn theo đuổi. Khi áp dụng bảo vệ ESD cấp hệ thống cho bất kỳ mạch nào, bảo vệ phải có hiệu quả cao và không thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn tín hiệu của bất kỳ ứng dụng tốc độ cao nào. Gần đây, TVS là thiết bị bảo vệ ESD được sử dụng rộng rãi nhất.

Dựa trên các sản phẩm cuối khác nhau, người ta cần hiểu điện áp hoạt động tối đa cần thiết, điện dung ký sinh (Cin), cấu hình chân cắm, điện áp kẹp, loại đónggói và khả năng miễn nhiễm ESD để chọn thiết bị bảo vệ ESD phù hợp (thường là TVS).

Là nhà cung cấp giải pháp ESD chuyên nghiệp đầu tiên tại Đài Loan, Amazing cung cấp nhiều lựa chọn bảo vệ ESD.

Theo https://blog.techdesign.com/