ไดโอด TVS ที่เล็กกว่าแต่มีประสิทธิภาพสูงกว่ามอบการปกป้องที่มากกว่า

By Pete Bartolik

Contributed By DigiKey's North American Editors

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)

รูปภาพแพ็คเกจ DFN ของ Semtechรูปที่ 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

DigiKey logo

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.

About this author

Image of Pete Bartolik

Pete Bartolik

Pete Bartolik เป็นนักเขียนอิสระที่ค้นคว้าและเขียนเกี่ยวกับประเด็นและผลิตภัณฑ์ด้าน IT และ OT มานานกว่าสองทศวรรษ ก่อนหน้านี้เขาเป็นบรรณาธิการข่าวของสิ่งพิมพ์ด้านการจัดการ IT Computerworld เป็นหัวหน้าบรรณาธิการของนิตยสารคอมพิวเตอร์สำหรับผู้ใช้ปลายทางรายเดือน และเป็นนักข่าวกับหนังสือพิมพ์รายวัน

About this publisher

DigiKey's North American Editors