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齊治：各位來賓下午好！先自我介紹一下，我是來自AEM科技的齊治，主要負責過壓保護器件方面。今天的演講內容分為四個方面進行：一，ESD的相關介紹；二，ESD保護器件分類及對比；三，ESD保護器件應用及選擇探討；四，ESD解決方案及實例探討。前兩個部分有專家做了介紹，所以前兩個部分說得比較快一些，把重點放在第三、四部分。 關于ESD部分這里不多說了，主要強調ESD的特點。有三個特點：持續時間短、低能量、瞬時高電壓，這三個特點剛好和過壓保護另一個重要的應用直接對應起來，因為目前過壓最多的應用兩個方面，一個是浪涌防護，一個是靜電防護。浪涌正好和他相反，浪涌防護持續的時間較長，它是非常大的能量，同時它的電壓相對而言較低。根據ESD的特點，我們也需要有針對性地研制或者對應它的特點開發相對的ESD保護。ESD無處不在，重點是區別關于器件型的靜電防護和系統型的靜電防護，我們可能注意到一些微電路或者一些IC以及器件，它會標上可以抗受2000V、4000V或者一定等級的電壓，包括我們為了更好地分析靜電，也會總結出一些模型，比如說整體模型、機器模型還有充電模型來分析靜電。這里需要注意的是，包括人體模型和PDM在內，它們更多的是指器件在運輸、使用和裝配的過程中所能夠抗受的等級，這個等級并不代表真正交到消費者手上的等級，所以這兩者需要區分，不能劃成同一類對比。因為從器件型的靜電防護而言，它的能量要低于系統型的靜電防護，后面會做簡單的介紹。目前最為通用的靜電防護標準是IEC61000-4-2，之前介紹得比較多，這里不再做過多介紹了。需要注意的是IEC61000-4-2的等級里，目前比較通用的是第四等級，就是最高的等級，接觸放電8KV，空氣放電15PV，峰值電流可以達到 30A，相對的HBM（人體）模型峰值電流只是它的1/5，所以在這里需要留意不同的模型和不同的標準規定的是有差異的。如何面對靜電放電，ESD器件如何起到保護作用？我們需如何應對？這里畫了一個標準的靜電圖，也是我們希望ESD保護器件所能夠起到作用的示意圖。 另外可以看到從最初的瞬間高電壓，這是一個標準的靜電脈沖波形，我們希望加入了ESD保護器件之后，它能夠在有效的箝位電壓位把整個的電壓抑制住，形成可以保護的箝位波形，這是研發ESD保護器件最主要的目的。 第二部分，對ESD保護器件的分類及對比進行探討和分析。之前Littelfuse的人員都說了比較多，目前ESD保護器件主流是三大類：第一類是以硅材料技術為代表的ESD保護器件，最典型的代表是TVS二極管；第二類是以氧化鋅材料技術為代表的ESD保護器件，典型的代表是多層氧化鋅壓敏電阻；第三類以高分子聚合物技術為代表的ESD保護器件。這三大類產品各有特點，存在即合理，因此每一類產品根據不同的特點會有不同的應用重點和領域。高分子聚合為是一種比較特殊的產品，可以所它是特殊時期的特殊產物，在通訊技術以及高速傳輸得到迅猛發展的時候，工程師往往會發現，他們在選擇ESD保護器件的時候，沒有辦法從原有的TVS二極管或者是壓敏電阻中找到足夠低的容值，使它在電路中不會產生足夠大的寄生電容或者形成濾波器，以對通過的信號造成不干擾的狀況，在這種情況下產生了高分子聚合物的ESD保護器件，它最大的特點就是它的容值可以做到非常低，可以做到0.1PF甚至0.05PF以下，當時無論是壓敏電阻還是TVS二極管都無法實現1PF以下的容值。 因此在HDMI包括USB2.0推出的時候，真正在這個地方用得最廣泛的就是高分子聚合物ESD保護器件。隨著時間的發展，不同的產品也在不同的提升相對的性能，包括TVS二級管在內，目前已經可以做到0.5PF左右的容值，完全可以應用在高速傳輸的端口部位，包括壓敏電阻也可以實現0.5PF以下，甚至可以達到0.2PF左右的容值，也能夠完全滿足。雖然我們現在說主流的產品仍然有上述所說的三大類，但是實際上高分子聚合物的ESD保護器件已經慢慢地淡出這個市場，因為它在其他方面的性能確實存在一定的缺陷，所以主流真正意義上應該是前兩種。在這里需要說的是AEM會推出新一代的保護器件，如果說前面仍然是以三個產品為主流的話，那AEM新推出的玻璃陶瓷二極管應該就是第四類保護器件，我希望在我們的不斷推廣過程中，將來不同的廠商在做對比的時候，會把我們的這一類系列產品加到他們的主流產品中做對比。玻璃陶瓷二極管具有一定的特點，我可以做簡單的介紹：首先，它采用我們獨有的玻璃陶瓷材料，有專制的制造工藝實現，性能上首先具有低漏電流，它的漏電流可以說在目前所有ESD保護器件中做到了最低的漏電流控制，可以達到納安級，我們把它控制在0.02安以下，而其他的主流產品基本上都是在微安的級別。 目前大家提倡環保、綠色的社會，各種各樣的電器、電子產品，都會對功耗有嚴格的控制，因此，低漏電流的嚴格控制可以有效地給客戶提供非常良好的選擇，降低整個電子、電器產品的功耗影響。第二個特點是它的承靜電沖擊、高穩定性，它的性能穩定性非常突出，通過我們不斷的實驗以及正常的實際使用，我們可以看到這類產品可以承受數千次次甚至上萬次以上靜電沖擊。第三個特點是它的低箝位電壓，目前來說箝位電壓仍然是TVS二級管做得最為理想，它可以控制到最低，甚至10V以下。除了TVS二極管以外，無論是氧化鋅、壓敏電阻還是高分子聚合物的ESD保護器件，他們的箝位電壓相對來說都是比較高，往往都是幾十伏甚至近百伏左右，我們的產品典型是低于50伏，事實上我們的產品可以達到20伏以下的箝位電壓控制，這也是我們產品的一個特點。第四個特點就是它的低容值，目前這一系列的產品容值小于0.25PF，事實上我們的產品還有非常大的空間可以繼續下降，但是作為目前的情況下可以正常的設計和使用，所以我們目前推出的規格達到0.25PF，這是產品的主要特點。相比而言它還具有比較高的性價比，性價比這個方面是先從性能上考慮，在優先性能的情況下我們的產品具有非常好的性價比。 首先是TVS二極管，TVS二極管通常采用PMGA加上環氧樹脂的材料封裝，是一個典型的主動器件的工藝模式。氧化鋅壓敏電阻，它的材料和結構是用氧化鋅機體與電極層高溫形成一種結構，也是一種典型的被動器件。高分子聚合物是PCB或者陶瓷機體加上有機高分子材料制成。AEM的玻璃陶瓷二極管是采用我們獨有的玻璃陶瓷材料加上具有專利的工藝制成所實現，它從材料到結構都與前三種完全不一樣。第二個性能方面就是能量耗散，能量耗散在一定程度上也決定了產品很多方面的性能。TVS二極管是以傳導為主，也就是說ESD能量傳輸的時候，它是通過迅速的傳導把能量轉移走。壓敏電阻則是以吸收為主，傳導為輔。高分子聚合物實際上和壓敏電阻完全一樣。玻璃陶瓷二極管和TVS二極管一樣，是以傳導為主，吸收為輔。 再看箝位電壓控制，剛才已經有了簡單的介紹，作為箝位電壓控制來說，目前做得最好的就是TVS二極管，因此對于一些敏感電路以及敏感IC的保護部位，TVS二極管仍然是最佳選擇。無論是氧化鋅壓敏電阻還是高分子聚合物，相對而言他們的箝位電壓控制得不是非常理想，后面會有電壓圖可以做參考。AEM 的玻璃陶瓷二極管在箝位電壓控制上已經非常接TVS二極管所能夠達到的低箝位電壓控制的能力。漏電損耗剛才提到過，TVS二極管、氧化鋅電阻包括高分子聚合物它們基本上以微安級為主，因為我們的產品可以達到0.02安以下，是納安級的產品，在耐受沖擊次數上，實際上耐受沖擊次數包括性能的穩定性，都和前面所說的能量散耗和工作原理有非常直接的關系，由于TVS二極管和玻璃陶瓷二極管都是以傳導能量為主，因此他們的性能非常穩定，并且耐受沖擊的次數都是在數千次至萬次以上，也就是說它的工作穩定性非常好，可靠性非常強。而作為壓敏電阻和高分子聚合物，由于他們能量耗散的方式是以吸收為主，在吸收能量的過程中會對自身的材料造成影響，所以在持續的工作狀態下，他們出現性能下降的現象。在實際的應用中比較容易觀察到的就是兩個：一是漏電流會逐步放大，二是壓敏電壓會有逐步下降的過程，這也導致他們的耐受沖擊次數并不是很理想，相對而言，壓敏電阻一般來說是在幾十次至數百次之間，高分子聚合物更差一些，可能在幾十次以后就會出現被擊穿或者短路的現象。另一個特性是關于它的方向性，因為TVS二極管是單通道的，如果說我們一個電路中需要對這個產品的雙向進行保護的話，需要采用雙向進行保護。作為氧化鋅壓敏電阻、高分子聚合物以及玻璃陶瓷二極管都是雙向的，換句話說他們是沒有方向性，在使用上會更加便利和方便。 下面是三個關于靜電電壓的使用圖，可以看不同的產品對于靜電信號的抑制和箝位電壓控制的對比。首先是高分子聚合物和玻璃陶瓷二極管的對比，從這個對比中可以看到高分子聚合物、ESD保護器件它的箝位電壓相對而言控制得比較高。這張圖是壓敏電阻系列產品和玻璃陶瓷二極管做的對比，可以看到壓敏電阻的箝位電壓控制得也是相對偏高的。 最后的圖是AEM的產品以及和TVS二極管的對比，可以看到TVS二極管的箝位電壓控制確實最好，但是我們的產品已經非常接近它的箝位電壓控制。總體而言，玻璃陶瓷二極管在某些性能上已經非常接近TVS二級管的性能，但是在其他一些特點上已經超過TVS二極管，綜合相比，在目前的ESD保護器件中，它應該是一種非常理想的選擇。 第三部分是ESD保護器件應用與選擇。目前我們要對一個電路進行ESD保護的時候，如何對它進行篩選？首先我們會根據傳輸速度選擇合適的電容值，這也是應對目前高速通道和電路高速發展的需要應對出來的一個標準，這里有一張圖，最上面是不同的產品對應的工作頻率，下面是電容值的大致分布，這里一般是兩個大的區分，一般來說是USB2.0-1394開始，因為1394目前應用比較少，從USB2.0到HDMI，以及我們將來會推出的USB3.0甚至更高傳輸速度的產品，對于電容的要會更加嚴格，一般來說USB2.0正常的電容需求不能超過3PF，正常是1至3PF之間。當達到HDMI高速傳輸的時候，我們正常的推薦是要到0.5PF以下，因為0.5PF以上會看到相對應的干擾。在根據電容選擇到合適的產品系列以后，我們還需要考慮合適的工作電壓，通常選擇略高于或者等于系統電壓即可。 下來我們會考慮箝位電壓的要求，因為對于電路保護而言，我們需要考慮后面的電路可以承受的最高能量電壓是多少，然后根據它所承受的最大耐電壓選擇合適的產品，這個產品的箝位電壓不能大于被保護的極限電壓。再下來我們會考慮漏電電流，我們會盡量選擇漏電流足夠小的產品做應用，這樣的話盡可能地減少多余功耗，尤其是在一些便攜式的設備商，由于便攜式的電子產品更多的是通過充電或者電池的方式實現工作，在這種情況下能夠使整個電路有更小的功耗和損耗也可以保證這個產品有更長的使用時間。 |
