Супрессоры SUNCOYJ для защиты от электростатических разрядов

27 февраля

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

Для создания эффективной и современной системы защиты от ЭСР компания SUNCOYJ предлагает надежные и качественные супрессоры, представляющие собой TVS- и ESD-диоды, а также сборки на их основе.

Всплески перенапряжения являются серьезной угрозой надежности работы радиоэлектронных устройств. Причины их появления различны, это могут быть коммутационные переходные процессы в системе электропитания устройств, разряды молний, электростатические разряды (Electrostatic discharge, ESD, ЭСР). Компоненты, выполненные по современным КМОП-технологиям, достаточно чувствительны к электростатическому разряду. ЭСР могут не только повлиять на результат работы устройств, но и вызвать их фатальное повреждение, а вероятность того, что устройство будет подвержено такому разряду, крайне высока, особенно при взаимодействии с человеком. И даже специально предпринятые внешние меры, например, применение антистатических материалов, могут оказаться недостаточными. На рисунке 1, опубликованном в ГОСТ Р 51317.4.2 (IEC 61000-4-2), показаны максимальные значения напряжения, до которого могут быть заряжены операторы, в зависимости от различных материалов и влажности воздуха.

Рис. 1. Зависимость максимального напряжения статического электричества от материала и влажности воздуха

Данный график показывает, что даже поддержание нормальной влажности (около 50%) и использование антистатических материалов не исключает возникновение разряда напряжением 2…3 кВ. И если в каких-либо производственных или лабораторных помещениях можно создать условия, снижающие вероятность возникновения разрядов, то в подавляющем большинстве случаев это невозможно. К счастью, это и не требуется: достаточно того, что разработчик оборудования использует простое и бюджетное решение – ESD-диоды и сборки на их основе, созданные специально для подавления импульса перенапряжения, возникающего в результате электростатического разряда.

В этой статье мы рассмотрим компоненты защиты (ESD-диоды и сборки) производства компании SUNCOYJ для сигнальных цепей различных интерфейсов и низковольтных линий питания. В 2025 году SUNCOYJ отпразднует четверть века своей деятельности. За это время компания проделала громадный путь, став крупнейшим предприятием в КНР. SUNCOYJ использует бизнес-модель IDM и является производителем полного цикла, включая самостоятельное выращивание кремниевых заготовок с последующим изготовлением пластин, а также разработку, проектирование и производство дискретных компонентов на их основе. Собственные фабрики, несколько дочерних компаний, 350000 м² производственной территории и более 5000 тысяч сотрудников, полная самостоятельность и высокое качество продукции не только делают SUNCOYJ солидной компанией в своей стране, но и позволяют уверено входить в первую десятку мировых лидеров. 36 триллионов ежегодно выпускаемых компонентов более полутора сотен наименований составляют MOSFET, IGBT и силовые модули, SiC, выпрямительные и сигнальные диоды, сборки, а также компоненты для защиты от ESD.

Чтобы правильно подобрать необходимый ESD-компонент и создать на его базе надежное решение для защиты устройства, необходимо ориентироваться в терминологии и процессах, а также ознакомиться с документами по электромагнитной совместимости, регламентирующими устойчивость радиоэлектронного оборудования к воздействию ЭСР и всплесков перенапряжений.

Испытания на устойчивость к электростатическим разрядам описывает ГОСТ 30804.4.2 (IEC 61000-4-2), в этой же группе есть документы, регламентирующие устойчивость к наносекундным импульсным помехам – ГОСТ 30804.4.4 (IEC 61000-4-4), а также к микросекундным импульсным помехам большой энергии – ГОСТ 30804.4.5 (IEC 61000-4-5). Общие требования к защите электронных устройств от электростатических явлений разъясняются в ГОСТ IEC 61340-5-1.

Электростатический разряд – это импульсный перенос электростатического заряда между телами с разными потенциалами. Из школьного курса физики можно вспомнить, что получить эту разность потенциалов достаточно легко, например, осуществив электризацию тел трением. Но если в опытах специально создаются условия для получения существенной разности потенциалов, то в большинстве случаев никаких усилий прикладывать не требуется: статическое электричество образуется постоянно, и практически каждый человек ощущал действие такого разряда на себе, прикоснувшись к какому-либо объекту с другим электрическим потенциалом. Этим объектом может быть и электронное устройство.

Именно такое взаимодействие привело к появлению модели человеческого тела (Human Body Model, или HBM, которая описана в стандарте IEC 60749-26). Она имитирует электростатический разряд между людьми и оборудованием. HMB использует RC-цепь для передачи экспоненциально затухающего импульса тока. На рисунке 2 показано повреждение области затвора транзистора после воздействия HBM (снимок сделан электронным микроскопом).

Рис. 2. Пробой затвора МОП-транзистора после воздействия HBM

Следует отметить, что модель HBM менее строга (сравнение испытательных импульсов показано на рисунке 3), чем требования ГОСТ 30804.4.2 (IEC 61000-4-2), имеющего несколько уровней (таблица 1).

Таблица 1. Уровни ГОСТ 30804.4.2 (IEC 61000-4-2)

* X – уровень, который может быть описан специально для устройства.

Рис. 3. Графики испытательных импульсов модели человеческого тела и ГОСТ 30804.4.2 (IEC 61000-4-2) для напряжения 8 кВ

Модель заряженного устройства (Charged Device Model, CDM) приближенно создает явление разряда, возникающее, когда заряженный компонент быстро разряжается на другой объект с более низким электростатическим потенциалом через сигнальный штырь или контакт. Несмотря на то, что эта модель предполагает разницу потенциалов всего 500 В, подобного разряда тока в 10 А (в соответствии с моделью) достаточно для частичного повреждения полупроводниковых компонентов (рисунок 4).

Рис. 4. Повреждение области затвора МОП-транзистора, CDM

Механическая модель (Machine Model, ММ, модель машины) – разряд, возникающий при контакте компонента с производственным оборудованием. Данная модель описана в IEC 60749-27. В таблице 2 показаны различные уровни ее испытаний.

Таблица 2. Уровни модели машины

Вариантов защиты от всплесков перенапряжения достаточно большее количество: варисторы (MOV/MLV), газоразрядники (GDT), стабилитроны, защитные тиристоры (TSS), диоды TVS и ESD (супрессоры). Различные технологии могут комбинироваться в одном компоненте или схеме, компенсируя недостатки друг друга и обеспечивая наилучшее качество защиты от перенапряжения. Варисторы и газоразрядники имеют слишком высокие значения напряжения фиксации V_CLAMP и динамического сопротивления R_DYN (эти параметры будут разъяснены ниже), чем полупроводниковые супрессоры. Это значит, что их применение ограничено областями защиты компонентов с относительно высоким рабочим напряжением или первым этапом комплексной защиты. Однако и среди полупроводниковых вариантов есть различия в характеристиках и поведении, некоторые из них приведены в таблице 3 (диапазоны тока и напряжения указаны для ассортимента продукции компании SUNCOYJ).

Таблица 3. Сравнение компонентов защиты компании SUNCOYJ

Примечание. Указанные в таблице 3 значения тока и мощности приведены для сравнения технологий и могут различаться в зависимости от характера импульса перенапряжения.

Работа TVS-диода схематически показана на рисунке 5. Как только цепи схемы устройства подвергаются мгновенному импульсу перенапряжения высокой энергии, рабочий импеданс супрессора немедленно падает до очень низкого значения проводимости, позволяя проходить большим токам и фиксируя напряжение на заданном уровне, тем самым эффективно защищая остальные компоненты электронных схем от повреждений.

Рис. 5. Фиксация всплеска перенапряжения TVS-диодом на безопасном уровне

TVS-диод имеет ряд важных свойств и характеристик, которые необходимо учитывать при построении защиты от электростатических разрядов. На рисунке 6 изображена вольт-амперная характеристика этого компонента с отмеченными на координатных прямых ключевыми параметрами, расшифровка которых приведена ниже.

Рис. 6. ВАХ TVS-диода

Параметры, представленные на рисунке 6:

• V_ESD – напряжение электростатического разряда. Его значение указывается в соответствии ГОСТ 30804.4.2 (IEC 61000-4-2) через прямой контакт или воздух либо согласно определенной модели.
• V_RWM – максимальное обратное рабочее напряжение. Оно определяется как напряжение, которое можно приложить к TVS-диоду с гарантией того, что он не будет проводить значительный ток I_R (обратный ток утечки, обычно составляющий менее 1 мкА для максимального значения). На рисунке 6 область, ограниченная этим напряжением, выделена красным. Можно сказать, что в этой области TVS-диод практически неактивен и ничем не мешает работе схемы (кроме своей паразитной емкости, о чем будет сказано далее). Выбирать супрессор с таким V_RWM следует так, чтобы его значение превышало ожидаемое максимальное рабочее напряжение.
• V_BR – напряжение пробоя, при котором TVS-диод начинает проводить обратный ток I_BR, обычно равный 1 мА. V_BR является точкой на графике ВАХ супрессора, начиная с которой ток увеличивается экспоненциально. Можно сказать, что в этой точке начинается процесс, который обычно называют «включением» диода. Следует иметь в виду, что точка может смещаться, поэтому не должна быть расчетной вместо V_RWM, однако при наличии двух супрессоров, отвечающих требованиям, следует отдать предпочтение компоненту с меньшим V_BR.
• V_CLAMP – напряжение ограничения (фиксации), а также и R_DYN – динамическое сопротивление (внутреннее сопротивление диода) должны рассматриваться вместе. Когда ток фиксации (I_S) протекает через супрессор, напряжение на нем определяется как V_CLAMP и равно V_BR + I_S × R_DYN. Это напряжение может оказаться в цепях схемы во время импульса перенапряжения, поэтому следует выбирать TVS-диод с достаточно малым внутренним сопротивлением.

• I_PP – максимальный импульсный ток, который может пройти через устройство при определенной форме импульса (рисунок 7), обычно составляющего 8/20 и 10/1000 мкс.
• Произведение максимальных значений параметров V_CLAMP и I_PP – это пиковая мощность, которую супрессор способен рассеять. В спецификации этот параметр может быть обозначен как Ppp (Peak Pulse Power). Значение пиковой мощности необходимо учитывать при повышенной температуре супрессора. Если предположить, что при 85°C диод способен рассеять лишь 50% от номинального значения мощности, для надежной работы произведение V_CLAMP и I_PP не должно быть больше, в противном случае необходимо подобрать другой вариант TVS-диода.
• Еще одна важная характеристика супрессора – емкость перехода Cj. Это паразитный параметр, который не играет какой-либо значимой роли в поглощении импульса и обеспечении защиты цепей схемы, однако может оказать на них негативное влияние, когда супрессор находится в состоянии покоя («выключен»). Емкость перехода диода не линейна и зависит от напряжения смещения постоянного тока: чем больше это напряжение, тем меньше Cj. Различные интерфейсы имеют разные требования к емкости своих сигнальных линий, которые распространяются и на супрессоры. В таблице 4 приведены рекомендуемые значения Cj для некоторых интерфейсов.

Рис. 7. Импульс 8/20 мкс

Таблица 4. Рекомендуемая емкость перехода супрессора в зависимости от применения

К любому из перечисленных в таблице 4 интерфейсов тем или иным образом может прикоснуться человек, притом к некоторым из них – достаточно часто в течение одного дня, особенно если эти интерфейсы присутствуют в мобильных устройствах, таких как смартфон или планшет. Несколько недорогих компонентов защиты от ЭСР позволяют предотвратить выход из строя подобных устройств, стоимость которых несоизмеримо выше.

Конструктивно TVS-/ESD-диоды могут быть однонаправленными или двунаправленными, представлять собой дискретный элемент или сборку (массив) в одном корпусе, в том числе и с другими компонентами. Ниже показаны несколько вариантов типовых решений по защите цепей питания и сигнальных линий, где используются различные конструктивы и корпуса супрессоров, а также предлагаются их варианты, выпускаемые компанией SUNCOYJ.

На рисунке 8 показано типовое решение по защите цепи питания на входе и выходе устройства с аккумуляторной батареей. В таблице 5 приведены несколько вариантов супрессоров для цепей питания напряжением 12/15/24 В. Рекомендуемые супрессоры изготовлены в корпусе DFN, который в настоящее время становится более популярным, чем SOD.

Рис. 8. Защита цепей питания

Таблица 5. Рекомендуемые однонаправленные ESD-диоды SUNCOYJ для цепей питания

Линии данных сразу двух портов интерфейса USB2.0 могут быть защищены одним ESD-компонентом (рисунок 9). В таблице 6 перечислены ESD-сборки в корпусе SOT23-6L.

Рис. 9. Типовой дизайн защиты сигналов D+ и D- интерфейса USB 2.0

Таблица 6. ESD-сборки SUNCOYJ (4 линии) с малой емкостью перехода

Интерфейс USB версии 3.0/3.1/3.2 требует защиты трех дифференциальных линий (рисунок 10), притом скорость передачи данных у него значительно выше, чем у USB 2.0, что накладывает более жесткие требования к паразитной емкости супрессоров. В таблицах 7 и 8 приведены характеристики ESD-сборок SUNCOYJ в корпусе DFN2510.

Рис. 10. Типовой дизайн защиты линий данных интерфейса USB 3.0/3.1/3.2

Таблица 7. ESD-сборки SUNCOYJ (4 линии) для USB 3.0

Таблица 8. ESD-сборки SUNCOYJ (4 линии) для USB 3.1/3.2/Type—C, HDMI 2.0

На рисунке 11 изображены контакты разъема USB Type-C. Помимо защиты линий данных, число которых увеличено по сравнению с предыдущими интерфейсами USB, необходимо учесть конструктивную особенность разъема, при которой в момент состыковки возможен перекос штекера относительно гнезда, что вызовет опасное замыкание контактов питания V_BUS на контакты СС или SBU (на рисунке 11 они обозначены красными стрелками).

Рис. 11. Контакты разъема интерфейса USB Type-C

Напряжение V_BUS может достигать 20 В, в то время как рабочее напряжение сигналов СС и SBU находиться в пределах 5 В. Оно может привести к выгоранию порта контроллера USB, а установленные ESD-диоды на рабочее напряжение 5 В не пройдут тестирование. Применение обычных TVS с V_RWM более 20 В не обеспечит должную защиту от ЭСР. Следовательно, необходим такой супрессор, который сможет не только выдержать испытание напряжением 20 В постоянного тока, но и обеспечить хорошую защиту от электростатических разрядов. Такие компоненты специально разработаны компанией SUNCOYJ и представляют собой двунаправленные супрессоры ESDSLC24VLB и ESDSLC24VLZB в миниатюрном корпусе DFN (таблица 9).

Таблица 9. ESD-диоды SUNCOYJ для USB Type—C

На рисунках 12 и 13 представлены примеры защиты линий данных (без учета вышеописанной проблемы перекоса разъема) с помощью сборок или дискретных двунаправленных ESD-диодов и сборок на 1 линию. Характеристики рекомендуемых супрессоров приведены в таблице 10.

Рис. 12. Защита интерфейса USB Type-C при помощи ESD-сборок

Рис. 13. Защита интерфейса USB Type-C при помощи ESD-диодов

Таблица 10. Двунаправленные ESD-диоды (D2) и сборки (D1, 1 линия) производства SUNCOYJ

Защита интерфейса HDMI (рисунок 14) не особо отличается от ранее рассмотренных вариантов защиты USB, а схожие характеристики линий данных позволяют использовать те же компоненты, что были рекомендованы для USB 3.0/3.1/3.2 (таблица 11).

Рис. 14. Типовой дизайн защиты интерфейса HDMI

Таблица 11. Рекомендуемые ESD-сборки SUNCOYJ для интерфейса HDMI

На рисунке 15 изображены два варианта защиты интерфейса сетей Ethernet 1000 BASE-T. Супрессоры, в качестве которых предлагаются ESD-сборки с 1 и 4 линиями защиты (таблица 12), устанавливаются перед физическим интерфейсом контроллера. В защите входных цепей применены TSS.

Рис. 15. Варианты защиты 1000BASE-T

Таблица 12. ESD-сборки SUNCOYJ, рекомендуемые для защиты 10/100/1000BASE-T

Только две сборки супрессоров в корпусе SOT23-6L (таблица 13) потребуются для защиты интерфейса VGA (рисунок 16). Кроме того, наличие свободных линий позволяет использовать их для защиты дополнительных каналов ID, не указанных на схеме.

Рис. 16. Типовой дизайн защиты VGA

Таблица 13. Рекомендуемые ESD-сборки SUNCOYJ для интерфейса VGA

В таблице 14 приведены несколько вариантов супрессоров для разных областей применения. Это лишь некоторые популярные модели. Номенклатура ESD-компонентов SUNCOYJ насчитывает более 150 наименований, в том числе кристаллов для последующего корпусирования, а варианты их применения не ограничивается областями, перечисленными в данной статье.

Таблица 14. Двунаправленные ESD-диоды и сборки SUNCOYJ

Компания SUNCOYJ постоянно совершенствует производство компонентов защиты от электростатических разрядов. На сегодняшний день существуют четыре варианта технологии ESD-компонентов:

• Планарная – самая простая структура, несложный процесс изготовления, широкий диапазон напряжений (3,3…48 В). Компоненты подходят для применения в различных областях, однако с ростом пикового тока значительно увеличивается размер чипа, что в свою очередь увеличивает ток утечки. Слишком высокая паразитная емкость не позволяет использовать их в высокочастотных цепях.
• Траншейная (trench) значительно сложнее планарной, но чипы, выполненные по этой технологии, обладают очень малой емкостью (0,3…3 пФ), что делает их хорошим вариантом для высокочастотных цепей. Номинальный ток утечки составляет менее 0,1 мкА, диапазон напряжения пробоя – 3,3…30 В. Однако напряжение фиксации относительно велико и технически его невозможно уменьшить.
• SCR отличается очень низким уровнем напряжения фиксации (есть некоторые проблемы с уровнем 2 В) и сверхнизкой паразитной емкостью (0,07…0,18 пФ). Пиковый ток составляет 5…10 А.
• В компонентах, выполненных по технологии GGNMOS напряжение фиксации снижается за счет использования небольшой обратной развертки, что позволяет избежать проблемы, свойственной SCR.

Понять, насколько далеко ушли технологии по защите радиоэлектронного оборудования от импульсов перенапряжения (в сравнении, например, с классическим диодом Шоттки), можно, рассмотрев рисунок 17, где изображена структура ESD-чипа, выполненного по технологии GGNMOS.

Рис. 17. Структурная и принципиальная схема чипа, построенного на платформе GGNMOS

Снижение напряжения фиксации V_CLAMP и паразитной емкости позволяет построить эффективную систему защиты от ЭСР для современных сигнальных линий, отличающихся высокой скоростью передачи и очень малым уровнем сигнала. Уменьшение V_CLAMP породило несколько поколений супрессоров (рисунок 18).

Рис. 18. Поколения TVS

Как видно из рисунка, компания SUNCOYJ находится в шаге от создания пятого поколения TVS-диодов, и в ближайшее время можно ожидать выпуска новых компонентов. Однако модели, доступные сейчас, не только не уступают, но часто превосходят по характеристикам аналогичную продукцию других брендов.

Благодаря развитию технологий защита электронного оборудования от импульсов перенапряжения становится все более совершенной, притом от разработчика требуются минимальные усилия для правильного применения супрессоров. Стоимость TVS-диодов крайне мала, а использование миниатюрных корпусов DFN снижает и прочие накладные расходы. Выбор компонентов защиты от ЭСР производства SUNCOYJ позволяет разработчикам и производителям построить качественную защиту практически всех компонентов электронного оборудования, соответствующую самым жестким требованиям нормативных документов. Благодаря бизнес-модели IDM, которой придерживается SUNCOYJ, а также надежности компании в отношениях с клиентами, вы можете быть уверены в стабильности поставок супрессоров и, как следствие, сроков выпуска своей продукции.