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陶瓷表面附著形式 瞬時電壓過載保護元件介紹
 

【作者: 曾泓瑋】   2001年05月01日 星期二

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由於半導體元件製程技術的快速發展,使得各項電子系統趨向於高密度整合發展。尤其在通訊技術上,一般大哥大手機已由以往如1250ml可口可樂般大的體積縮小到如手掌大小,在這樣的系統上以往所使用的皮膜電阻、電容已銷聲匿跡,其原因在於這樣的元件體積太大,同時由於高頻系統皮膜電阻、電容存在的雜散元件效應已太大,而使得應用有其困難。


SMD(Surface Mounted Devices)形態的元件因為體積及雜散效應小,於近幾年供不應求。



《圖一 ESD物理系統簡圖》
《圖一 ESD物理系統簡圖》

高密度電子系統中因為各項元件趨向於微小化,在電壓過載的情況下系統將會出錯甚至於有永久損毀的可能。在IC(積體電路)設計技術中有相當多的技巧來減低這項問題的可能性,但卻難以達到相當高的可靠程度。一般來說這些技術利用半導體元件因高壓而工作於崩潰區,並將電流導向整個系統的地點,縱使元件可以承受這樣高的電壓,高電流於高密度IC中的傳導必將造定成一些問題。於設計上使用的I/O Pad面積以及Pad與內部線路的距離將會決定IC的保護程度,越高程度的保護,IC所使用的面積也相較的變大(以現在高密度整合的過程,一些考量必定會疏忽)。多層膜陶瓷SMD型態瞬時電壓過載保護元件,將是高密度電子系統一項高信賴度過載保護的選擇。


這篇文章將引導您瞭解各項EMC(Electromagnetic compatibility;電磁共容性)在瞬時電壓過載的現象以及在測試,量測上的規範。同時我們將針對SMD陶瓷保護元件做一簡單的介紹,而它要用在哪裡,也是這篇文章的重點。


什麼是EMC呢?

我們日常生活中使用的電器如收音機、電視等設備,會因為外界電磁波干擾而影響這些電器的使用,早在1928年就已經規範出設備對於電磁波傳輸以及接收上的限制,主要在使用上有更高的解析度及可靠度。之後由於電子系統設備被高度的應用,EMC方面的規範也應應而生。EMC主要規範電子系統的安全性和系統在工作的電磁環境對外界的干擾,其中包括基本的現象,量測/測試技術以及規格的限制規範。歐盟於1996年通過並實行法令要求電子系統能夠符合要求才可以賣。如果不符合規格就不用外銷到那裡了,其中對於電壓過載,EMC在不久也將會納入規範。


瞬間電壓過載

說不定是老闆故意不開唉我們回歸正題,瞬時電壓過載在不久將來勢必會納入規範,同時在高密度的電子系統中這些問題也是不容忽視的。瞬時電壓過載的原因大概可以分為下列幾大項,以下我們將介紹其物理原因以及規範上的標準:



《圖二 人體ESD模型及IEC 6100-4-2定義之ESD電流波型》
《圖二 人體ESD模型及IEC 6100-4-2定義之ESD電流波型》

ESD(Electrostatisc Discharge;靜電放電)

ESD的範疇相當的廣,舉凡閃電到近距離的人體接觸都是ESD的一部份。簡單的來說以一個帶電Q的物體,因為近距離接近電子系統而引發負Q電荷分佈於系統的表面,或是因為帶電物體接觸電子系統而引發出快速電流或電壓過載。其對電子系統的影響又會因為帶電的物體的不同而有不同的作用,我們可以在(圖一)中看到這樣物理系統的大致運作狀況。總之,我們可以瞭解這樣的物理系統勢必是相當複雜的,電荷由哪裡來?其影響有多大?都是值得討論的問題。幸好有一些組織針對這樣的問題加以實驗、分析且加以規範。我們現在可以大方的使用他們所定出來測試/量測方法,來對我們電子系統的可靠度加以實驗。


現在一般產品的測試上大部分都採用IEC(International Electrotechnical Commission)6100-4的標準,而歐洲系統以EN 6100-4,德國採用DIN VDE 0843為標準。這些規範主要幫助我們可以方便且快速的得到系統的可靠度以及元件所可以保護的範圍。在IEC 6100-4的第二節中就規範出ESD的模型以及ESD所產生的波形。近年來由於ESD課題被高度的討論,有一些聯盟也針對這樣的課題做一些標準的訂定,如美國的ESD Association Standard就是一個例子。


《表一 ESD產生器的各項參數對照表》 - BigPic:615x154
《表一 ESD產生器的各項參數對照表》 - BigPic:615x154

對電子系統來說,一般電子產品受到人體靜電接觸的影響最為普遍,在IEC 6100-4-2中也將這樣的模型加以定義。當人以手指接觸電子系統時,人體可以等效為一個150pf電容器,然後以一個開關連接1500ohm電阻器到被接觸系統。由這樣的模型我們可以瞭解經過1500ohm的電阻是以電壓形式接觸系統表面,是一個快速的電壓源。在(圖二)中,我們可以看到人體模型的等效電路以及這種模型所產生出來的電流對時間的關係。在這樣的電路中,當電子開關接通時電容器的放電時間是Nanosecond Order的範圍,同時放出的電壓是在5kV到15kV間的大小。


圖二中的電流對時間關係圖IEC又將其訂出四個程度,以注入電壓分別為2KV,4KV,6KV及8KV。整個波形的描述分為第一個最大電流(Ipeak),由最大電流90%的時間後30ns的電流以及最大電流90%的時間後60ns的時間來描述。(表一)列出ESD測試所產生的電流波形的四個level所對應到的時間及電流值。


對於一個完全沒有保護的金氧半導體元件(MOSFET)來說,在這樣的瞬間電壓過載運作下,將對元件造成永久的傷害,前面談過在IC設計可能無法避免這樣的傷害,所以有一些專門用來防止ESD作用SMD type元件在市面上銷售,而且也將會被廣泛的被應用。


EFT(快速電壓傳輸,電擊與空氣間的火花)

這類的電壓過載主要來自於電極接觸間,因為電極間有空隙,在有些情況下就會因為尖端放電而產生低能量快速且有週期性的電壓變化,而在電極間會有火花的現象產生。不要小看這樣的現像,以一個3.5V的電池兩端接上導線,當將二導線端點接觸時可能有重複且快速火花產生,這樣實驗做完一陣子後你會發現電池已經發燙。IEC 61000-4-4中規範出這樣的標準,其中也有包括測試的等級以及測試的電壓波形圖。將這些參數詳列於(表二)中。



《圖三 電壓圖波表示圖》
《圖三 電壓圖波表示圖》

Surge(電壓開關突波)

這一類型的的電壓過載,主要來自電源線以及電器設備內部之開關。可以分成雷擊突波以及開關突波兩類。雷擊突波是因為雷等感應的突波重疊於AC電源線所引起的,另一類開關突波是由於開關開閉時所造成的如保險絲的溶斷,繼電器及線圈等開關所引起。電壓突波的物理現象以圖形表示如(圖三),我們將電源開關等效為一個電阻電桿串聯電路當開關打開時在電桿上會產生一個快速的電壓變化,因為開關快速打開類似於有一相當高頻的訊號進入電桿,因此會有一個快速的電壓過載產生。


IEC 61000-4-5中有詳細的訂定突波的電壓電流波形,在一般家電系統中電壓突波大約可到達6kV的強度,一般測定都以此一強度範圍為標準。電壓波形大致可以分為兩類:一類為震盪訊號波形,其頻率範圍可以由5kHz到500kHz,最大電壓約為6kV,最大電流可到達500A左右;另一類為單一突波電壓,都以1.2/50μs表示,電流以8/20μs表示,最大電壓壓6kV,電流在3kA左右。我們可以知道這樣波形的時間比ESD長,電壓電流差不多大,因此要通過突波的防護設備的總能量,相較地比ESD來得高出許多,因此通過突波的保護元件勢必要比ESD保護元件來得更嚴苛。突波波形的示意圖列於(圖四)中。



《圖四 IEC 61000-4-5突波電壓電流模型波型》
《圖四 IEC 61000-4-5突波電壓電流模型波型》

SMD陶瓷瞬間電壓過載保護元件

介紹完各項快速電壓過載後,我們可以知道對於電子系統的保護需求有日益增加的趨勢,因為單就ESD來說,高密度半導體元件已不能承受,更何況由電力系統中進入系統的突波,因此下面將介紹幾項簡單且方便的SMD type瞬間電壓過載保護元件。


《圖五 SurgX Polymer ESD Suppressor各項特性圖》
《圖五 SurgX Polymer ESD Suppressor各項特性圖》

Polymer ESD Suppressor (SurgX)(聚合物合成之ESD保護器):

首先就其名字來看,我們可以瞭解這一項產品是在聚合物兩端加上金屬電極所合成的ESD保護元件,可以調變聚合物及電極間距來改變元件的特性。想當然這一聚合物層是此一元件的最重要部分。


就一個優良的電壓保護元件來說,使用者最想得到的資訊就是加上此元件會不會改變原本電路的特性,當有ESD時保護元件會不會作用,及元件可以保護的程度。因此一個好的保護元件它對ESD的作用時間應該要很短,同時有ESD作用的過程中,此一元件的截止電壓要越低越好,此一元件在沒有電壓過載時電阻要很大,漏電流要小,電容也要很小,即使設計者電路設計完畢後,加上此一保護元件對整個電路的的影響應該要到完全看不出來的程度。


此一元件的簡圖如(圖五)所示,其工作原理係利用其特殊電壓電流波形如圖中所示,當有ESD突波時電壓高過VT(Trigger Voltage),元件由高阻抗區變換到低阻抗區,利用低阻抗特性將電流引導到系統地線,同時將電壓鉗位於VC(Clamping Voltage)。這類元件如Cooper等公司已有量產,台灣Inpaq等有類似的產品。


《表二 IEC 61000-4-4對EFT/Burst的定義》 - BigPic:606x132
《表二 IEC 61000-4-4對EFT/Burst的定義》 - BigPic:606x132

MLV(Multi-layer Varistor;多層膜變阻器):

利用多層電極及氧化金屬的多層膜結構,在兩端點加上電極可以有類似變阻器的效用,變阻器的作用原理乃利用電阻值對電壓的非線性特性來達成對電壓保護作用,當有高壓突波進入系統時,變阻器的電阻值會急速下降,將高壓以電流的方式傳導到地線。


此一元件與ESD元件最大的不同點,在於電容值要比ESD保護元件來得大出許多,同時漏電流也較大,但它可以承受的能量要比ESD元件高出許多,一般用來保護突波的發生。近年來由於技術的日新月異,已經有低容值的MLV在市面上販售,用來保護高頻電路中的元件。此一元件的特性以圖形方式表示於(圖六)中。值得注意的是,一般突波保護元件在販售目錄中常有8/20μs電流一欄,這指的是當加以IEC 61000-4-5中電流波形於元件上,其所得到輸出波形的最大電流及鉗位電壓。同時有許多國際級的被動元件大廠如AVX、Panasonic、Littlefuse、EPCOS等都有。台灣也有如Inpaq等公司有類似且效能高的產品。


《圖六 MLV之特性圖》
《圖六 MLV之特性圖》

此保護元件的應用

此一元件於應用上並不難,因為元件設計上為求得更易於被應用,要求元件設計越趨近於理想越好,只要元件使用到電路中,此一元件並不會影響原本電路的運作狀況。只要將元件併聯於電路板上,加上欲保護IC接腳及系統地點間就可以。


因為各電路的工作點電壓電流並不一樣,同時要保護到何種程度也是必須考量的,因此元件的選擇就顯得相當重要。以SurgX元件來說,如果使用到電源開關上就會有一些問題,因為電力系統的突波能量遠比ESD保護元件所能承受的範圍來得高。如果使用MLV來保護元件,被保護的電路工作點電壓也是需要被考量的,如果鉗位電壓太高,電路在保護的過程中有可能損壞。在高頻電路上的應用,電路的匹配就不容被忽視,因為元件附加於RF的輸入端,若阻抗沒辦法匹配電路的能量損耗就可能太大而無法工作。


《圖七 手機系統使用者與系統間面間的保護》
《圖七 手機系統使用者與系統間面間的保護》

在整個系統的地線,系統設計上也必須要考慮清楚。如果地線太靠近需要被高度保護的IC附近,同時沒辦法快速的導走多餘的電荷,此時系統還是一樣沒辦法被高度的保護。電源區塊要作適當的隔離,如一些Coupling效應應盡量減少。(圖七)中我們針對一個內部被完整保護的大哥大手機系統,其需要被保護的使用者與系統介面以圖形描繪出來,同時標上其可能需要的元件。(本文作者任職佳邦科技)


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