- 當(dāng)今的集成電路的外部保護(hù)要求
- 評(píng)估ESD保護(hù)的有效性
- PicoGuard® X S技術(shù)、硅技術(shù)與無源技術(shù)比較
- 維持信號(hào)完整性、電磁干擾與浪涌保護(hù)
隨著SoC特征尺寸的減小，器件更易遭受ESD損傷，越來越多纖薄型工業(yè)設(shè)計(jì)更注重小外形封裝中的ESD及EMI性能。且保護(hù)器件必須完全“透明”，不能降低信號(hào)完整性，安森美采用先進(jìn)技術(shù)的電路保護(hù)方案讓我們知道：ESD有效性和信號(hào)完整性可以得到評(píng)估和證明。
靜電放電(ESD)保護(hù)及電磁干擾(EMI)正在成為所有電氣設(shè)備越來越重要的考慮因素。消費(fèi)者要求的更多功能特性及纖薄型工業(yè)設(shè)計(jì)要求更加注重小外形封裝之中的ESD及EMI性能。
外部保護(hù)要求
業(yè)界正在采用最先進(jìn)的技術(shù)制造先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)。設(shè)計(jì)人員為了優(yōu)化功能及芯片尺寸，正在持續(xù)不斷地減小其芯片設(shè)計(jì)的最小特征尺寸。但相應(yīng)的代價(jià)是什么？就是特征尺寸的減小，導(dǎo)致器件更易于遭受ESD損傷。
當(dāng)今的集成電路(IC)給保護(hù)功能所留下的設(shè)計(jì)窗口已經(jīng)減小。如圖1所示，IC有預(yù)期的電壓及電流工作區(qū)域，環(huán)繞此區(qū)域的是安全過壓區(qū)。ESD保護(hù)必須在安全過壓及過流區(qū)工作。隨著業(yè)界趨向以更小幾何尺寸和更低電壓制造更先進(jìn)IC，IC的安全工作區(qū)也在縮小。
在以前的IC中，設(shè)計(jì)人員足以選擇可在IEC61000-4-2ESD規(guī)范規(guī)定的ESD沖擊下輕易存續(xù)的保護(hù)產(chǎn)品。因此，大多數(shù)保護(hù)產(chǎn)品規(guī)格書僅列出額定存續(xù)等級(jí)(如保護(hù)器件可在IEC61000-4-2 8 kV 4級(jí)接觸式放電條件下存續(xù))。但這并未顯示保護(hù)器件在保護(hù)敏感電路時(shí)的有效程度。有效ESD保護(hù)的關(guān)鍵是限制ESD事件期間的電壓，令其處于給定芯片組的安全電壓窗口內(nèi)。ESD保護(hù)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)有效ESD保護(hù)的方式，是在ESD事件期間提供接地的低阻抗電流路徑，如圖1所示；用于新集成電路的保護(hù)產(chǎn)品需要更低的動(dòng)態(tài)阻抗(Rdyn)，從而避免可能導(dǎo)致?lián)p傷的電壓。由于給保護(hù)功能所留的設(shè)計(jì)窗口減小，選擇具有低動(dòng)態(tài)阻抗的ESD保護(hù)產(chǎn)品變得更加重要，以此確保鉗位電壓不超過新芯片組的安全保護(hù)窗口。因此，ESD保護(hù)產(chǎn)品供應(yīng)商必須提供保護(hù)產(chǎn)品有效性的信息，而非僅是保護(hù)產(chǎn)品自身的存續(xù)等級(jí)。
評(píng)估ESD保護(hù)的有效性
安森美半導(dǎo)體使用兩種方法來顯示ESD保護(hù)的有效性：ESD屏幕截圖及傳輸線路脈沖(TLP)測量。ESD屏幕截圖方法捕獲保護(hù)產(chǎn)品在被施加IEC 61000-4-2 ESD應(yīng)力(通常為8 kV接觸放電)時(shí)的電壓。圖2中所示的屏幕截圖顯示了安森美半導(dǎo)體的保護(hù)器件在遭受8 kV應(yīng)力條件下在10納秒(ns)時(shí)間內(nèi)將電壓鉗位至20 V以下。屏幕截圖提供形象直觀的保護(hù)產(chǎn)品有效性視圖，特別適合于比較針對(duì)相同應(yīng)用的兩款產(chǎn)品。安森美半導(dǎo)體的應(yīng)用注釋AND8307/D簡述了屏幕捕獲數(shù)據(jù)。但屏幕截圖并不支持解析出描述保護(hù)產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)參數(shù)。TLP方法則提供更加量化的ESD保護(hù)器件有效性衡量手段。
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TLP方法創(chuàng)建電流-電壓(I-V)曲線，其中各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是采用與ESD事件在電流波形及脈沖寬度方面密切匹配的方形脈沖獲得的。TLP脈沖寬度通常為100 ns，脈沖幅度最高達(dá)40 A。圖3顯示了TLP I-V曲線示例，其中比較了旨在用于相同應(yīng)用的安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品與競爭對(duì)手產(chǎn)品。與競爭器件相比，安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品以更低的電壓導(dǎo)通，且動(dòng)態(tài)阻抗低得多。TLP I-V曲線以及由此提取來的參數(shù)能用于比較不同ESD保護(hù)器件的特性，并能用于預(yù)測電路的ESD鉗位性能。能夠從TLP數(shù)據(jù)提取出來的參數(shù)包括特定電流電平的鉗位電壓值以及動(dòng)態(tài)阻抗和電壓截距。安森美半導(dǎo)體應(yīng)用注釋AND9006/D詳細(xì)闡釋了TLP技術(shù)，而應(yīng)用注釋AND9007/D介紹了由TLP測量解析出來的規(guī)格參數(shù)。
PicoGuard® X S技術(shù)
傳統(tǒng)ESD保護(hù)產(chǎn)品貼裝在信號(hào)走線與地之間，在信號(hào)路徑上不會(huì)產(chǎn)生中斷。為了將高速數(shù)據(jù)線路的信號(hào)完整性下降問題減至最輕，電容必須最小化，如圖4所示。
安森美半導(dǎo)體優(yōu)異的PicoGuard XS技術(shù)通過使信號(hào)路徑穿越保護(hù)產(chǎn)品，提供阻抗匹配的信號(hào)路徑，故而消除了信號(hào)完整性問題，如圖4所示。PicoGuard XS技術(shù)平衡了封裝串聯(lián)電感與保護(hù)二極管電容，提供極佳的100 Ω信號(hào)路徑，與印制電路板(PCB)上走線的阻抗匹配。此外，這種設(shè)計(jì)事實(shí)上省下了與保護(hù)二極管串聯(lián)的電感，因而將ESD事件起始階段的封裝引致電壓尖峰減至最小。
硅技術(shù)與無源技術(shù)比較
安森美半導(dǎo)體的保護(hù)及濾波方案基于先進(jìn)的硅工藝。相比較而言，其它幾種低成本無源方案結(jié)合使用了陶瓷、鐵氧體及多層壓敏電阻(MLV)材料。這些類型器件傳統(tǒng)上ESD鉗位性能較弱。在某些無源方案中，下游器件會(huì)遭受的電壓比安森美半導(dǎo)體硅方案高出一個(gè)或多個(gè)數(shù)量級(jí)，如圖5中的ESD屏幕截圖所示，其中比較了安森美半導(dǎo)體硅方案與競爭技術(shù)在8 kV ESD應(yīng)力條件下的表現(xiàn)。競爭技術(shù)的導(dǎo)通電壓如此之高，以致于它根本不會(huì)激活，所測的電壓只不過是在50 Ω測量電路上的電壓降。其它一些更老技術(shù)甚至在經(jīng)歷較少幾次ESD沖擊后性能就會(huì)下降。由于材料成分原因，某些無源器件往往在不同溫度條件下的性能表現(xiàn)不一致，因此在惡劣環(huán)境下的可靠性更低。
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維持信號(hào)完整性
ESD及EMI方案用于保護(hù)系統(tǒng)，抵御或?yàn)V除有損系統(tǒng)整體性能的無用信號(hào)。在系統(tǒng)正常工作期間，保護(hù)器件不得降低信號(hào)完整性。換而言之，它們必須完全“透明”。展示保護(hù)產(chǎn)品不會(huì)降低信號(hào)完整性是重要的。安森美半導(dǎo)體使用幾種不同方法來展示產(chǎn)品不會(huì)降低信號(hào)完整性。
衡量信號(hào)完整性效應(yīng)的一種方式是使用S參數(shù)插入損耗圖，如圖6所示。S21圖顯示了不同頻率條件下的功率損耗測量結(jié)果。它們顯示了特定器件在特定設(shè)計(jì)中的工作特性。S參數(shù)圖也衡量濾波器的頻率響應(yīng)，如第5頁中有關(guān)共模濾波器的圖9所示。
一種經(jīng)典的高速數(shù)據(jù)信號(hào)之信號(hào)完整性展示方式是眼圖，如圖7所示，其中比較了采用及沒有采用安森美半導(dǎo)體ESD保護(hù)產(chǎn)品的信號(hào)。隨時(shí)鐘變化的數(shù)字信號(hào)的偽隨機(jī)圖案以時(shí)間軸建立在數(shù)字存儲(chǔ)示波器上。高質(zhì)量的信號(hào)將顯示出較大的眼形張開區(qū)域，此區(qū)域處于不同的數(shù)據(jù)過渡段的中間。高速接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范定義了位于眼圖中間的六邊形模板(mask)。數(shù)據(jù)圖案不得穿越模板，因此確保能夠準(zhǔn)確無誤地讀取數(shù)據(jù)。也能夠通過眼圖快速地查看及測量信號(hào)的其它關(guān)鍵參數(shù)。保護(hù)產(chǎn)品的存在導(dǎo)致的眼圖質(zhì)量下降必須極小，就像安森美半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件的眼圖那樣。
在某些情況下，為了提供最高性能，阻抗匹配對(duì)于接口標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，這些情況下可以采用時(shí)域反射計(jì)(TDR)測量。TDR顯示完整信號(hào)路徑的特征阻抗，包括給定保護(hù)或?yàn)V波方案對(duì)阻抗的影響。USB及HDMI等大多數(shù)高速信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了可以接受的TDR差分阻抗測量值。
電磁干擾(EMI)
安森美半導(dǎo)體提供兩種類型的EMI濾波器，分別是單端濾波器及共模濾波器。單端濾波器采用不同陣列配置來制造，用于并行接口。這些濾波器包括用于音頻等低速信號(hào)的通用電阻-電容(RC)型濾波器和用于較高速度及功率敏感型接口的電感-電容(LC)型濾波器。低通濾波器提供700 MHz至最高6 GHz范圍的截止頻率。截止頻率如第5頁中圖8所示的S21圖所示。單端濾波器無法滿足高速差分接口的需求。差分接口擁有固有的噪聲抑制，但它們不能完全免受可能存在于來自外部源的共模噪聲的影響，亦不能防止接口信號(hào)輻射至系統(tǒng)其它元件。
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這些應(yīng)用中能使用共模濾波器(CMF)來消除不想要的共模噪聲，并防止高速信號(hào)輻射有害的共模噪聲信號(hào)至系統(tǒng)其它元件。同時(shí)，CMF還使想要的高速數(shù)據(jù)事實(shí)上不受影響地通過。典型的CMF特性如圖9所示，圖中顯示消除了共模噪聲，同時(shí)支持差模信號(hào)無損通過。
浪涌保護(hù)
除了保護(hù)免受ESD沖擊影響，安森美半導(dǎo)體還提供保護(hù)免受由雷擊或電力線交叉故障導(dǎo)致的浪涌沖擊影響的方案。廣泛用于多種消費(fèi)及電信/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的一種常見接口是10/100BASE-T和1000BASE-T以太網(wǎng)協(xié)議的RJ45接口。它包含4對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線路，每條線路承載最高250 Mbps的數(shù)據(jù)率。此接口的額定浪涌等級(jí)通常遵循的是建筑內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。這類接口的保護(hù)涉及到確保橫向(金屬或差分)浪涌沖擊不會(huì)損傷下行敏感芯片組，例如物理層芯片。提供這種保護(hù)的方法是逐線路(就各對(duì)線路而言)連接分流保護(hù)元件，將入襲的有害浪涌能量傳輸回至浪涌源。
對(duì)于較低數(shù)據(jù)率(10/100BASE-T)而言，安森美半導(dǎo)體結(jié)合提供稱作晶閘管浪涌保護(hù)器件(TSPD)的消弧(crowbar)器件和類似于ESD保護(hù)中所使用元件的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)器件。TSPD的優(yōu)勢是鉗位電壓較低及具有更大浪涌電流能力；例如，它們符合GR-108910/1000 μs標(biāo)準(zhǔn)的100 A要求。因此，它們適合于初級(jí)側(cè)保護(hù)，即“線路側(cè)”保護(hù)。
TVS鉗位器件支持8/20 μs脈沖浪涌等級(jí)，常用于第三級(jí)或物理層芯片側(cè)(PHY)的保護(hù)，旨在捕獲及安全地泄放任何殘余浪涌脈沖。圖10所示的是施加在安森美半導(dǎo)體新的TVS產(chǎn)品上的8/20 μs浪涌電流時(shí)域圖，以及時(shí)域響應(yīng)電壓，清晰顯示了安森美半導(dǎo)體方案相較于競爭器件的優(yōu)越性。
結(jié)論
上述簡介中概括了安森美半導(dǎo)體保護(hù)及濾波產(chǎn)品的重要特征。后面將按接口介紹具體產(chǎn)品，并附上方便產(chǎn)品選擇的指引。
未完待續(xù)……
