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如果 TLP 分析不能保证符合 ESD 标准,为什么它很重要?

2021 年 7 月 7 日 / 作者: Zhen Li

如果 TLP 分析不能保证符合 ESD 标准,为什么它很重要

在我加入 Semtech 的九年里,传输线脉冲 (TLP) 基础知识一直是新员工和客户最重要的培训主题之一。许多人问我们为什么总是强调 TLP 分析的重要性并广泛依赖它为我们的客户提供最佳解决方案。TLP 测试无法提供与行业标准(如 IEC 61000-4-2 或 ESDA/JEDEC JS-001)的规定完全相同的波形。它不保证 IC 或系统能通过所需静电放电 (ESD) 测试级别的抗扰性测试。始终建议在 TLP 测试完成后使用 ESD 发生器验证所有结果。那么,为什么我们不直接全部用 ESD 发生器进行测试?毕竟大多数工程师更熟悉和普遍接受 ESD 发生器。要回答这个问题,我认为务必要理解 TLP 不是 IEC 测试的替代或升级,而是作为一种分析工具对 ESD 枪测试进行补充。ESD 枪测试能告诉我们行或不行,但 TLP 可以帮助我们了解为什么和怎样优化。

近年来,TLP 得到广泛接受,并为我们全球大多数客户所采用。其结果已成为评估组件和系统级 ESD 的最重要参数之一。以下是将 TLP 用作分析工具的一些提示。

瞬态击穿和开启特性

要选择理想的瞬态电压抑制器 (TVS) 保护器件,第一步是识别工作电压 (VRWM) 和击穿电压 (VBR)。VRWM 保证 TVS 将在工作电压或低于工作电压时保持在关闭阶段。TVS 击穿、折回和保持电压/电流,可以显示 TVS 何时在开启和关闭状态之间准确切换。这些通常使用 mA 范围内的电流以直流电源进行测试,并可以在大多数二极管数据表中找到。但 TVS 二极管旨在防止瞬态威胁,其脉冲持续时间在 ns 到 µs 范围内。TLP 测试指定 100ns 脉冲宽度。从时序的角度来看,该脉冲宽度更接近于真实世界的 ESD 瞬变。根据 TVS 技术,上升时间和脉冲持续时间都会对这些开启特性产生很大影响。

TLP 电压

图 1:不同技术之间的 TLP 比较

Semtech 提供不同的 TVS 技术以满足不同应用的需求。图 1 中的 TLP 比较显示了击穿区域中不同类型 TVS 的行为。一般来说,具有较低击穿电压或保持电压的折回器件通常具有更好的钳位电压,但当受保护线路上存在偏置电压时,这些器件可能会导致闩锁。

动态电阻 (RDYN)

在理想情况下,TVS 将在击穿电压下开启,然后提供一条短路路径,将所有瞬态能量传导到 GND。但实际上,TVS 在开始导通后会表现出一定的动态电阻。该电阻通常在 mΩ 范围内。动态电阻(图 2)即 IV 曲线的斜率,可以说明电流增加时钳位电压的变化程度。这通常定义在 4A 至 16A 的被测器件 (DUT) 电流之间,在 30ns 的 IEC 脉冲中大约为 2kV 至 8kV 的范围。

电压图

图 2:动态电阻

大多数 ESD 保护数据表仅包含使用 ESD 发生器在 8kV 下采集的钳位电压波形,有时一些工程师仅使用 8kV 钳位波形来选择器件。图 3 举例说明我们如何比较具有不同 RDYN 的两个器件。动态电阻较高的 TVS B 在两条曲线的交叉点后表现出高钳位,但仍可在较低电平下提供更好的钳位。由于在比较器件时该交叉点可以位于任何水平,8kV 钳位图可能仅与 8kV 相关,但对于其他水平的信息并不充分。例如,在当今的高速应用中,某些数据线甚至难以在系统级通过 2kV 的电压,因此动态电阻变得非常关键。换句话说,较低的 8kV 钳位电压并不总能保证所有水平的钳位电压都较低。另一方面,具有较低动态电阻的 TVS 即使在其击穿电压较高时也能提供更好的钳位电压。带有动态电阻的简单 TLP IV 曲线可帮助估计钳位对于目标水平是否足够低。

钳位电压

图 3:器件的 TLP 比较

系统级分析 - 谁在保护谁?

大多数 IC 都有某种内部 ESD 保护结构。如果有的话,这些结构提供的保护非常有限。但在瞬态事件期间,可触发 IC 内部的保护,并与外部 TVS 竞争 ESD 电流。具有较低钳位和较快响应的路径将传导更多电流。图 4 举例说明了如何使用 TLP 分析将其可视化。

TLP 电压 2

图 4:TVS 有效性评估

TLP 测试通常分三步完成:首先是评估没有任何保护的 IC(黑色曲线)以找到其阈值。在此例中,IC 在 13V 和 8A 左右发生故障。第二步是评估 TVS(绿色曲线),这将显示 TVS 在将 IC 放在 PCB 上之前保护它的有效性。在此例中,这个 TVS 需要大约 16A 才能达到 13V,这是 IC 的故障阈值;这表明在至少 16A 之前,TVS 的钳位将低于 IC 的内部保护。最后一步是评估 IC 和 TVS 的组合(蓝色曲线)。如图 4 所示,IV 曲线在 TVS 击穿电压之前跟随 IC。在 TVS 开启后,IC 和 TVS 都将传导电流,但整体 IV 曲线将主要跟随 TVS,因为 TVS 提供阻抗低得多的路径。内部保护和 TVS 的结合可以使这个故障阈值至少达到 24A。如果 TLP 结果显示内部保护电路钳位到低于 TVS 的电压,或者甚至在 TVS 开启之前就开始导通,则 IC 在“保护”TVS。

一致性和可重复性

TLP 分析成为重要分析工具的其他优点是波形的一致性和测试结果的高度可重复性。我们经常会看到测试实验室或测试设置之间出现显著不同的测试结果,特别是在空气放电测试期间,因为标准中规定的 ESD 波形容限更宽,ESD 耦合路径更复杂。测试设置或测试程序中的细微差异可能导致测试结果的重大差异。借助定义明确的 50Ω 系统,TLP 测试可为 DUT 提供一致且受控的波形,这对于调试和分析非常重要。这也使得任何波形失真和校准过程的检测比 IEC 标准校准快和简单。

结论

在设计和评估系统 ESD 保护时,传输线脉冲测试是一个重要的分析工具。虽然它与行业 ESD 标准并不完全相关,但它支持将内部 IC 保护结构与外部 TVS 器件进行比较,从而提供非常接近的第一近似值。从长远来看,这种类型的分析可以节省时间和金钱,实现设计系统级 ESD 稳健性。Semtech 的应用工程师团队可以帮助进行 TLP 分析和系统高效 ESD 设计 (SEED),并帮助客户选择在其系统中无缝运行的保护方案。

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主题:电路保护

作者 Zhen Li

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