ไดโอด TVS ที่เล็กกว่าแต่มีประสิทธิภาพสูงกว่ามอบการปกป้องที่มากกว่า
Contributed By DigiKey's North American Editors
2024-05-22
ไฟฟ้าสถิต (ESD) หรือไฟกระชากอาจทำให้ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เสียหายหรือไม่สามารถทำงานได้ในระหว่างการผลิตหรือการใช้งานขั้นสุดท้าย โดยคาดว่า ESD จะเป็นสาเหตุให้เกิดความล้มเหลวของส่วนประกอบตั้งแต่หลักเดียวไปจนถึงหนึ่งในสามของส่วนประกอบทั้งหมด ซึ่งรุนแรงขึ้นจากความหนาแน่นของวงจรที่เพิ่มขึ้นและข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่สูงขึ้น
เหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าสูงชั่วขณะ เช่น ESD เป็นอันตรายที่สามารถส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์ตั้งแต่อุปกรณ์ที่ใช้ทั่วไปจนถึงอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่มีราคาแพง การใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ที่เพิ่มมากขึ้นซึ่งไวต่อเหตุการณ์ดังกล่าวและใช้กับผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย ทำให้จำเป็นต้องเลือกโซลูชัน ESD ที่เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจว่าลูกค้าพึงพอใจและใช้งานได้จริงในเชิงพาณิชย์
เมื่ออิเล็กตรอนกระจายใหม่บนพื้นผิววัสดุ สิ่งนั้นอาจสร้างความไม่สมดุลของประจุได้ เมื่อสนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมีความเข้มข้นเพียงพอ ประจุไฟฟ้าสถิตจะแสวงหาความสมดุลและทำให้เกิดการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิต สิ่งนี้อาจเป็นหายนะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลว ความล่าช้าของผลิตภัณฑ์ การสูญเสียรายได้ และบางครั้งชื่อเสียงหรือความเสียหายของแบรนด์
แม้ในสภาพแวดล้อมการผลิตไอซีที่สะอาด ส่วนประกอบต่างๆ ก็สามารถสัมผัสกับ ESD ได้ในระหว่างการประมวลผล การประกอบ การทดสอบ และการบรรจุแพ็คเกจ ซึ่งแบบจำลองร่างกายมนุษย์ (HBM) เป็นมาตรฐานการทดสอบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าไอซีสามารถทนต่อแรงกระแทกของร่างกายมนุษย์ที่มีประจุ ซึ่งเป็นเครื่องกำเนิด ESD ตามปกติ เมื่อร่างกายสัมผัสกับไอซีและสร้างประจุไฟฟ้าสถิต
IEC 61000-4-2 เป็นมาตรฐานการทดสอบ ESD สากลโดยใช้แบบจำลองร่างกายมนุษย์ในเกณฑ์มาตรฐานฮาร์ดแวร์ระดับระบบที่สำคัญกว่า เพื่อให้แน่ใจว่าอุปกรณ์สามารถทนต่อเหตุการณ์ชั่วคราว รวมถึงการป้องกันฟ้าผ่า เมื่ออยู่ในมือของผู้ใช้ปลายทางในโลกแห่งความเป็นจริง
การลดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว
เนื่องจากขนาดของวงจรรวมยังคงลงลง พารามิเตอร์ ESD แบบเดิมจึงไม่เพียงพอที่จะจัดการกับความเสี่ยงในระดับระบบ เพื่อปกป้องพลังงานและวงจรข้อมูลความเร็วสูง นักออกแบบจะต้องใช้ประโยชน์จากความก้าวหน้าในเทคโนโลยีลดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราว (TVS) นอกเหนือจากการป้องกัน HBM และ ESD บนอุปกรณ์
TVS มีความสำคัญมากขึ้นในการป้องกัน ESD บนสายข้อมูลที่ใช้กันทั่วไปสำหรับอุปกรณ์ที่มี HDMI, Thunderbolt, USB 2, USB 3, USB-C, เสาอากาศ และอินเทอร์เฟซมาตรฐานอื่นๆ ซึ่งจำเป็นต้องมีมาตรการป้องกันที่แข็งแกร่งเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายจาก ESD ในผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป ตั้งแต่อุปกรณ์สวมใส่และคีย์บอร์ดไปจนถึงสมาร์ทโฟนและกล้อง IoT
คุณสามารถวางไดโอด TVS บนเส้นทางไฟหรือเส้นทางข้อมูลเพื่อป้องกันเหตุการณ์ชั่วคราวโดยการเปลี่ยนเส้นทางไฟกระชากออกจากวงจรที่ป้องกัน ในระหว่างเหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าสูงชั่วคราว แรงดันไฟฟ้าบนสายไฟที่มีการป้องกันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและอาจพุ่งสูงถึงหลายหมื่นโวลต์ ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ไดโอด TVS จะเปิดวงจร แต่สามารถจับจุดสูงสุดของ ESD ระดับระบบได้ในเวลาน้อยกว่าหนึ่งนาโนวินาที เพื่อเปลี่ยนกระแสสูง
คุณลักษณะสำคัญบางประการในการเลือกโซลูชัน TVS ได้แก่:
- ความจุ (C) - ความสามารถโดยธรรมชาติในการเก็บประจุไฟฟ้า
- แรงดันไฟย้อนกลับ (VRWM)—แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่วงจรสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องเปิดใช้งานไดโอด TVS
- แรงดันป้องกันไฟกระชาก (VC)—ระดับแรงดันไฟฟ้าที่ TVS เริ่มเปลี่ยนกระแสส่วนเกินออกจากวงจรป้องกัน (ต่ำกว่า VRWM)
- แรงดันเบรกดาวน์ย้อนกลับ (VBR)—แรงดันไฟฟ้าที่ TVS เข้าสู่โหมดอิมพีแดนซ์ต่ำ
- กระแสพัลส์สูงสุด (IPP)—กระแสสูงสุดที่ TVS สามารถจัดการได้ก่อนที่จะเกิดความเสียหาย
- กำลังพัลส์สูงสุด (PPP)—กำลังไฟฟ้าที่กระจายไปโดยทันทีโดย TVS ในระหว่างเหตุการณ์
ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับแพ็คเกจของ TVS
การวางตำแหน่งของไดโอด TVS ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน และใกล้กับจุดเข้า ESD จะให้การป้องกันที่ดีกว่า แพ็คเกจเซมิคอนดักเตอร์ยังมีบทบาทสำคัญในการปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ละเอียดอ่อนในระบบสมัยใหม่จากภัยคุกคาม ESD
ในการเลือกไดโอด TVS สำหรับผลิตภัณฑ์ของตน นักออกแบบควรมุ่งเน้นไปที่ระดับการป้องกันไฟกระชากเฉพาะที่ต้องการ จำนวนเส้นทางที่ต้องป้องกัน และขนาดแพ็คเกจเพื่อให้เหมาะสมกับพื้นที่บอร์ดที่มีอยู่
แพ็คเกจไอซีแบบขาเชื่อมต่อเป็นตัวเลือกทั่วไปสำหรับไดโอด TVS เนื่องจากติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้ง่าย ทำให้คุ้มค่าคุ้มราคา และกระจายความร้อนได้ดี อย่างไรก็ตาม เนื่องจากขนาดของไอซีจึงสามารถใช้พื้นที่จำนวนมากบน PCB และมักมีผลกระทบจากโหลดแฝงที่ส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงาน
อย่างไรก็ตามแพ็คเกจ DFN (Dual Flat No-Lead) มีขนาดกะทัดรัดและมีความสามารถรอบด้านซึ่งอาจเหมาะสำหรับการป้องกัน ESD มากกว่า แพ็คเกจ DFN ไม่สามารถขยายได้ และจุดสัมผัสจะอยู่ใต้ส่วนประกอบมากกว่าตามแนวเส้นรอบวง ซึ่งช่วยประหยัดพื้นที่เมื่อเปรียบเทียบกับแพ็คเกจอุปกรณ์แบบยึดพื้นผิว (SMD) แบบตะกั่ว
แพ็คเกจ DFN ให้การกระจายความร้อนที่โดดเด่นโดยการใช้แผ่นระบายความร้อนแบบเปลือยด้านล่างซึ่งสามารถเชื่อมต่อกับ PCB ได้อย่างราบรื่นเพื่อทำหน้าที่เป็นฮีทซิงค์ในตัว นอกจากนี้ยังแสดงองค์ประกอบโหลดแฝงที่ต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแพ็คเกจ SMD แบบมีขาตะกั่ว ซึ่งช่วยรักษาความสมบูรณ์ของสัญญาณในการใช้งานที่มีความเร็วสูง
อย่างไรก็ตาม แพ็คเกจ DFN ให้การมองเห็นรอยต่อประสานบน PCB ที่จำกัด ซึ่งทำให้ยากต่อการยืนยันว่ามีการติดที่เหมาะสมในระหว่างกระบวนการประกอบหลังจากบรรจุในแพ็คเกจ
เอาชนะความท้าทายของ DFN
Semtech แก้ไขความท้าทาย DFN ด้วยไดโอด TVS ในโมดูล DFN ที่มีแพ็คเกจแบบฟลิปชิปและด้านข้างที่เปียกได้ (รูปที่ 1)
รูปที่ 1: ภาพตัวอย่างของแพ็คเกจ DFN ของ Semtech พร้อมด้านข้างที่เปียกได้ซึ่งใช้สำหรับไดโอด TVS (แหล่งที่มาภาพ: Semtech)
แพ็คเกจแบบฟลิบชิปใช้การบัดกรีแทนการเชื่อมด้วยลวดเพื่อเชื่อมต่อกับวัสดุพิมพ์ ด้านข้างที่เปียกได้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าลวดบัดกรีจะกระจายจากด้านล่างของแพ็คเกจ ไหลขึ้นไปด้านข้างของผนัง และสร้างการเชื่อมต่อแบบบัดกรีที่มองเห็นได้
ด้วยเทคนิคนี้ ระบบการตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติ (AVI) สามารถตรวจสอบการยึดเกาะ PCB ที่เหมาะสมได้โดยการตรวจสอบการบัดกรีที่เกิดขึ้นระหว่างด้านแนวตั้งของด้านข้างและแผ่นบัดกรีด้วยสายตา เพื่อให้มั่นใจถึงการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้
การใช้ด้านข้างที่เปียกได้ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือ เพิ่มผลผลิต และให้ความต้านทานต่อการสั่นสะเทือนและการสั่นที่อาจทำให้เกิดการแยก การชุบดีบุกปิดขั้วทองแดง ปกป้องทองแดงจากการเกิดออกซิเดชัน
Semtech นำเสนอกลุ่มผลิตภัณฑ์ไดโอด TVS แบบซิงเกิลไลน์โดยใช้แพ็คเกจแบบพลิกชิปและด้านข้างที่เปียกด้านข้าง โดยบรรจุในรูปแบบ DFN ขนาด 0402 (1.0 มม. x 0.6 มม. x 0.55 มม.) ซึ่งได้รับการปรับแต่งสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่ไม่ใช่ยานยนต์
ส่วนประกอบ 0402 DFN TVS ได้รับการออกแบบมาเพื่อป้องกัน ESD ในเสาอากาศ RF และ FM, ตัวควบคุมหน้าจอสัมผัส, 12 VDC, ปุ่มด้านข้างและแผงปุ่มกด พอร์ตเสียง อุปกรณ์ IoT อุปกรณ์พกพา สายอินพุต-เอาท์พุตอเนกประสงค์ (GPIO) และอุปกรณ์อุตสาหกรรม
อุปกรณ์ Semtech ให้การป้องกัน ESD สำหรับ:
- Thunderbolt 3
- USB 3.0/3.2
- ขั้วต่อ USB Type-C® บนสายสัญญาณความเร็วสูง
- ช่องการกำหนดค่า (CC) และการใช้แถบด้านข้าง (SBU) ที่ใช้สำหรับปรับพลังงาน ข้อมูล และโหมดทางเลือกที่เชื่อมต่อด้วยสายเคเบิล USB Type-C
- สาย VBus
- สายข้อมูล D+/D- ที่ส่งสัญญาณส่วนต่างสำหรับ USB และโปรโตคอลรุ่นเก่าอื่นๆ
โซลูชันการป้องกันช่องทางเดียว สายข้อมูล และ VBUS ESD ของ Semtech พร้อมแพ็คเกจด้านข้างเปียกได้อยู่ใน อุปกรณ์ป้องกัน RClamp และ μClamp ESD ซึ่งให้การปกป้องระดับบอร์ดด้วยแรงดันไฟฟ้าในการทำงานและแรงดันป้องกันไฟกระชากต่ำ เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว และอุปกรณ์ไม่เสื่อมสภาพ
ผลิตภัณฑ์ RClamp (RailClamp) ประกอบด้วย:
- RCLAMP01811PW.C : ให้ความยืดหยุ่นแก่นักออกแบบในการปกป้องซิงเกิลไลน์ในการใช้งานที่มีพื้นที่จำกัด เช่น สมาร์ทโฟน โน้ตบุ๊ก และอุปกรณ์เสริม ซึ่งสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้า ±30 kV (หน้าสัมผัส) และ ±30 kV (อากาศ) ตาม IEC 61000-4-2 โดยมีความจุต่ำ 1.2 pF (สูงสุด) ปกป้องซิงเกิลไลน์ด้วยแรงดันใช้งาน 1.8 V และกระแสไฟรั่วย้อนกลับต่ำ 100 nA (สูงสุด) ที่ VR = 1.8 โวลต์
- RCLAMP04041PW.C : สำหรับการปกป้องซิงเกิลไลน์ในการใช้งานที่อาร์เรย์ไม่สามารถใช้งานได้จริง เช่น การใช้งานแบบพกพาที่มี USB 2.0, MIPI/MDDI, MHL และอุปกรณ์ที่สวมใส่ได้ ด้วยแรงดันไฟฟ้าใช้งาน 4.0 V และความจุต่ำ 0.65 pF (สูงสุด) ให้การป้องกัน ESD สำหรับสายความเร็วสูงตามมาตรฐาน IEC 61000-4-2 ±30 kV (หน้าสัมผัสและอากาศ) และ IEC 61000-4-5 (สายฟ้า) 20 A (tp = 8/20 µs)
- RCLAMP2261PW.C : แรงดันไฟฟ้าใช้งาน 22 V, TVS แบบซิงเกิลไลน์ที่มีกระแสไฟกระชาก 18 A (tp = 8/20 μs) ตาม IEC 61000-4-5 และแรงดันไฟฟ้าคงทน ±25 kV (หน้าสัมผัส) และ ±30 kV (อากาศ) ตาม IEC 61000-4-2 การใช้งานทั่วไป ได้แก่ USB Type-C, สายการสื่อสารระยะใกล้ (NFC), เสาอากาศ RF และ FM และอุปกรณ์ IoT
กลุ่มผลิตภัณฑ์ μClamp (MicroClamp) ขนาดเล็กพิเศษประกอบด้วย:
- UCLAMP5031PW.C : แรงดันไฟฟ้าใช้งาน 5 V, TVS แบบซิงเกิลไลน์ที่มีแรงดันไฟฟ้าทน ±30 kV (หน้าสัมผัส) และ ±30 kV (อากาศ) ตาม IEC 61000-4-2 นักออกแบบสามารถใช้กับอุปกรณ์อุตสาหกรรม อุปกรณ์พกพา โน้ตบุ๊ก โทรศัพท์มือถือ แป้นพิมพ์ และพอร์ตเสียง
- UCLAMP1291PW.C : แรงดันไฟฟ้าใช้งาน 12 V, TVS แบบซิงเกิลไลน์ที่มีความต้านทานไดนามิกทั่วไปต่ำ, แรงดันแคลมป์ ESD จุดสูงสุดต่ำ, และแรงดันไฟฟ้าทน ESD สูงที่ ±30 kV (หน้าสัมผัสและอากาศ) ตาม IEC 61000-4-2 การใช้งานที่เหมาะสม ได้แก่ โทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์เสริมแบบเซลลูล่าร์ โน้ตบุ๊กและอุปกรณ์พกพา และอุปกรณ์พกพา
- UCLAMP2011PW.C : TVS แบบซิงเกิลไลน์ 20 V ที่มีความสามารถในการไฟกระชากฟ้าผ่าสูง 3 A (tพี =8/20 μs) ต่อ IEC 61000-4-5 การใช้งานทั่วไป ได้แก่ อุปกรณ์ต่อพ่วง อุปกรณ์พกพา และเครื่องมือวัด
- UCLAMP2411PW.C : TVS แบบซิงเกิลไลน์ 24 V เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึง รางไฟฟ้า 24 VDC, สายข้อมูลไอซีไดรเวอร์แบบ Chip-on-Glass, อุปกรณ์ต่อพ่วง และอุปกรณ์พกพา มีกระแสไฟกระชาก 3 A (tp = 8/20 μs) ต่อ IEC 61000-4-5
สรุป
การเพิ่มความหนาแน่นของวงจรและประสิทธิภาพที่สูงขึ้นสำหรับผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องใช้แนวทางใหม่ในการป้องกันการปล่อยประจุไฟฟ้าสถิตและแรงดันไฟกระชากอื่นๆ แพ็คเกจใหม่โดย Semtech ส่งผลให้ไดโอดลดแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวมีขนาดเล็กลง ซึ่งช่วยให้นักออกแบบผลิตภัณฑ์มีความยืดหยุ่นมากขึ้น ความสามารถด้านกระแสไฟกระชากสูง และแรงดันแคลมป์ต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับการปกป้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.