Menší, výkonnější diody TVS poskytují větší ochranu

Elektrostatické výboje („electrostatic discharge“, ESD) nebo přepětí mohou poškodit nebo zničit elektronické produkty během výroby nebo konečného použití. Odhaduje se, že ESD způsobuje jednociferné číslo až třetinu všech poruch součástek, což ještě zhoršuje zvýšená hustota obvodů a vyšší požadavky na výkon.

Přechodné napěťové jevy, jako je ESD, představují nebezpečí, která mohou ovlivnit zařízení od spotřebitelských zařízení až po drahá průmyslová vybavení. Rostoucí závislost na mikroprocesorech, které jsou k takovým událostem náchylné a které se používají v širokém spektru produktů, vyžaduje výběr vhodného řešení proti ESD k zajištění spokojenosti zákazníků a obchodního úspěchu.

Při redistribuci elektronů na povrchu materiálu může dojít k nerovnováze náboje. Když je výsledné elektrické pole dostatečně silné, statické náboje hledají rovnováhu a vytvářejí elektrostatický výboj. Pro elektroniku založenou na mikroelektronice to může mít katastrofální následky, které vedou k poruchám, zpoždění produktů, ztrátě příjmů a někdy i k poškození pověsti nebo značky.

Dokonce i v čistém výrobním prostředí integrovaných obvodů mohou být součástky vystaveny ESD během zpracování, montáže, testování a balení. Nejrozšířenějším testovacím standardem je model lidského těla („Human Body Model“, HBM), který zajišťuje, že integrované obvody vydrží náraz nabitého lidského těla – typického generátoru ESD – při dotyku integrovaného obvodu a vytvoření statického náboje.

Mezinárodní normou pro testování ESD je standard IEC 61000-4-2. Využívá model lidského těla na podstatnější hardwarové úrovni systému, aby bylo zajištěno, že zařízení zvládne přechodné jevy, včetně ochrany před bleskem, když je v rukou skutečných koncových uživatelů.

Potlačení přechodného napětí

Vzhledem k tomu, že se geometrie integrovaných obvodů stále zmenšuje, tradiční parametry ESD k řešení rizik na úrovni systému nepostačují. K ochraně výkonových a vysokorychlostních datových obvodů musí konstruktéři využít pokroky v technologii potlačení přechodného napětí („transient voltage suppression“, TVS) nad rámec HBM a ochrany proti ESD na zařízení.

TVS je stále důležitější při ochraně proti ESD na běžně používaných datových vedeních pro zařízení s rozhraními HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, anténami a dalšími standardními rozhraními. K tomu, aby se předešlo poškození ESD v hotových produktech, od nositelné elektroniky a klávesnic až po chytré telefony a kamery IoT, jsou zapotřebí robustní ochranná opatření.

Dioda TVS může být umístěna na napájecím nebo datovém vedení, aby byla chráněna před přechodnými jevy přesměrováním rázů mimo obvod, který chrání. Během přechodného jevu se napětí na chráněném vedení rychle zvýší a může se vyšplhat až na desítky tisíc voltů. Za normálních provozních podmínek se dioda TVS jeví jako otevřená, ale dokáže zastavit špičku ESD na úrovni systému za méně než nanosekundu, čímž odvede vysoké proudy.

Některé z klíčových vlastností při výběru řešení TVS jsou následující:

• Kapacita (C) – vlastní schopnost uložit elektrický náboj
• Závěrné (reverzní) napětí (V_RWM) – maximální napětí, které může obvod provozovat, aniž by se aktivovala dioda TVS
• Omezovací napětí (V_C) – úroveň napětí, při které dioda TVS začne odvádět přebytečný proud z chráněného obvodu (nižší než V_RWM)
• Reverzní průrazné napětí (V_BR) – napětí, při kterém dioda TVS přejde do režimu nízké impedance
• Špičkový pulzní proud (I_PP) – maximální proud, který dioda TVS zvládne, než dojde k poškození technologie
• Špičkový pulzní výkon (P_PP) – okamžitý výkon, který dioda TVS během jevu rozptýlí

Úvahy o pouzdru diod TVS

Výkon diod TVS ovlivňuje jejich umístění a těsná blízkost bodu vstupu ESD poskytuje lepší ochranu. Klíčovou roli při ochraně jemné elektroniky v moderních systémech před hrozbami ESD hrají také polovodičová pouzdra.

Při výběru diod TVS pro své produkty by se konstruktéři měli zaměřit na konkrétní požadovanou úroveň přepěťové ochrany, počet vedení, která je třeba chránit, a velikost pouzdra, aby vyhovovala dostupnému prostoru na desce.

Běžnou volbou pro diody TVS jsou pouzdra integrovaných obvodů s vývody díky snadné montáži na desky plošných spojů (DPS), díky čemuž jsou cenově efektivní a poskytují dobrý odvod tepla. Kvůli své velikosti však mohou na desce plošných spojů zabírat značný prostor a často mají parazitní účinky, které nepříznivě ovlivňují výkon.

Kompaktní rozměry a všestrannost naštěstí poskytují pouzdra DFN („Dual Flat No-Lead“), která mohou být pro ochranu proti ESD vhodnější. Pouzdra DFN nemají prodloužené vývody a jejich kontaktní body jsou umístěny pod součástkou spíše než podél jejího obvodu, což poskytuje úsporu místa ve srovnání s pouzdry zařízení pro povrchovou montáž („surface-mount device“, SMD) s vývody.

Pouzdra DFN poskytují vynikající odvod tepla tím, že na spodní straně obsahují odkrytou tepelnou podložku, která se může bez problémů spojit s DPS a fungovat jako integrovaný chladič. Ve srovnání s pouzdrem SMD s vývody vykazují také nižší parazitní prvky, což pomáhá udržovat integritu signálu ve vysokorychlostních aplikacích.

Pouzdra DFN však poskytují omezenou viditelnost pájených spojů na deskách plošných spojů, což ztěžuje potvrzení správného spojení během procesu montáže po dokončení pouzdra.

Překonání problémů pouzder DFN

Společnost Semtech vyřešila problém pouzder DFN pomocí diod TVS v modulech DFN s pouzdry s technologií flip-chip a s bočně smáčitelnými boky (obrázek 1).

Obrázek 1: Reprezentativní obrázek pouzdra DFN společnosti Semtech s bočně smáčitelnými boky použitými pro diody TVS. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

K vytvoření spojení se substrátem využívají pouzdra s technologií flip-chip pájecí hrbolky místo drátových spojů. Bočně smáčitelné boky zajišťují, že se pájka šíří ze spodní části pouzdra, steče po boční straně a vytvoří viditelný pájený spoj.

Pomocí této techniky mohou systémy automatizované vizuální kontroly („automated visual inspection“, AVI) ověřit správné spojení desek plošných spojů vizuálním zkoumáním pájecích hrbolků vytvořených mezi svislou stranou boku a pájecí podložkou, což zajišťuje spolehlivé spojení.

Použití bočně smáčitelných boků zvyšuje spolehlivost, zlepšuje výtěžnost a poskytuje odolnost vůči vibracím a otřesům, které by jinak mohly způsobit oddělení. Pocínování pokrývá měděné svorky a v průběhu času chrání měď před oxidací.

S využitím pouzder s technologií flip-chip a bočně smáčitelných boků uvedla společnost Semtech na trh řadu jednolinkových diod TVS s pouzdrem ve formátu DFN o velikosti 0402 (1,0 mm × 0,6 mm × 0,55 mm), přizpůsobených pro průmyslové aplikace kromě automobilového průmyslu.

Součástky TVS 0402 DFN jsou určeny k ochraně proti ESD v RF a FM anténách, ovladačích s dotykovou obrazovkou, linkách 12 V_DC, postranních klávesách a klávesnicích, audioportech, v zařízeních internetu věcí, přenosné přístrojové technice, univerzálních vstupně-výstupních linkách („general-purpose input-output“, GPIO) a v průmyslových zařízeních.

Zařízení společnosti Semtech poskytují ochranu proti ESD pro následující prvky:

• Thunderbolt 3
• USB 3.0/3.2
• Konektory USB Type-C® na vysokorychlostních signálových linkách
• Linky konfiguračního kanálu („configuration channel“, CC) a pro použití postranního pásma („sideband use“, SBU) používané pro vyjednávání napájení, dat a alternativních režimů připojené kabelem USB typu C
• Linky VBus
• Datové linky D+/D−, které přenášejí diferenciální signály pro USB a další starší protokoly

Řešení ochrany proti ESD s jedním kanálem, datovými linkami a VBUS s bočně smáčitelným pouzdrem jsou k dispozici v zařízeních RClamp a μClamp pro ochranu proti ESD. Poskytují ochranu na úrovni desky s nízkým provozním a omezovacím napětím, rychlou dobou odezvy a bez degradace zařízení.

Mezi produkty RClamp (RailClamp) patří následující modely:

• RCLAMP01811PW.C: Poskytuje konstruktérům flexibilitu pro ochranu jednotlivých vedení v aplikacích s omezeným prostorem, jako jsou chytré telefony, notebooky a příslušenství. Odolává napětí ±30 kV (kontakt) a ±30 kV (vzduch) podle normy IEC 61000-4-2 a má nízkou kapacitu 1,2 pF (max.). Chrání jedno vedení s pracovním napětím 1,8 V a nízkým unikajícím proudem v závěrném směru 100 nA (max.) při V_R = 1,8 V.
• RCLAMP04041PW.C: Pro ochranu jednotlivých vedení v aplikacích, kde pole nejsou praktická, jako jsou přenosné aplikace s rozhraními USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL a nositelná elektronika. S pracovním napětím 4,0 V a nízkou kapacitou 0,65 pF (max.) poskytuje ochranu proti ESD pro vysokorychlostní vedení podle normy IEC 61000-4-2 ±30 kV (kontakt a vzduch) a normy IEC 61000-4-5 (blesk) 20 A (t_p = 8/20 us).
• RCLAMP2261PW.C: Jednolinková dioda TVS s pracovním napětím 22 V, rázovým proudem 18 A (t_p = 8/20 μs) podle normy IEC 61000-4-5 a s výdržným napětím ±25 kV (kontakt) a ±30 kV (vzduch) podle normy IEC 61000-4-2. Mezi typické aplikace patří rozhraní USB typu C, linky NFC („Near-Field Communication“, komunikace v blízkém poli), RF a FM antény a zařízení IoT.

Produktová řada ultra-malých zařízení μClamp (MicroClamp) zahrnuje následující modely:

• UCLAMP5031PW.C: Jednolinková dioda TVS s pracovním napětím 5 V, s výdržným napětím ±30 kV (kontakt) a ±30 kV (vzduch) podle normy IEC 61000-4-2. Konstruktéři mohou model využít pro průmyslová zařízení, přenosnou přístrojovou techniku, notebooky, sluchátka, klávesnice a audioporty.
• UCLAMP1291PW.C: Jednolinková dioda TVS s pracovním napětím 12 V s nízkým typickým dynamickým odporem, nízkým špičkovým ESD omezovacím napětím a vysokým ESD výdržným napětím ±30 kV (kontakt a vzduch) podle normy IEC 61000-4-2. Vhodné aplikace zahrnují mobilní telefony a příslušenství, notebooky a jiná zařízení do ruky i přenosnou přístrojovou techniku.
• UCLAMP2011PW.C: Jednolinková dioda TVS 20 V s vysokou odolností proti bleskovému rázu 3 A (t_p = 8/20 μs) podle normy IEC 61000-4-5. Mezi typické aplikace patří periferní zařízení, přenosná zařízení a přístrojová technika.
• UCLAMP2411PW.C: Jednolinková dioda TVS 24 V vhodná pro širokou škálu aplikací včetně napájecích lišt 24 V_DC, datových linek integrovaných obvodů řadiče Chip-on-Glass, periferních zařízení a přenosných zařízení. Vyznačuje se rázovým proudem 3 A (t_p = 8/20 μs) podle normy IEC 61000-4-5.

Závěr

Zvyšující se hustota obvodů a vyšší výkon elektronických produktů vyžadují nové přístupy k ochraně proti elektrostatickým výbojům a jiným napěťovým rázům. Nové pouzdro od společnosti Semtech vede k menším diodám pro potlačení přechodného napětí, které poskytují konstruktérům produktů větší flexibilitu, schopnost vysokého rázového proudu a nízká omezovací napětí, díky čemuž jsou ideální pro zabezpečení citlivé elektroniky.