自從我加入 Semtech 以來的九年裡，傳輸線脈衝 (TLP) 基礎知識一直是我們新員工和客戶最重要的培訓主題之一。我們收到了許多關於為什麼我們強調並廣泛依賴TLP分析來為我們的客戶提供最佳解決方案的問題。TLP測試無法提供與IEC 61000-4-2或ESDA/JEDEC JS-001等行業標準規定的完全相同的波形。它不保證IC或系統將通過對所需靜電放電(ESD)測試級別的抗擾度測試。始終建議在TLP測試完成後使用ESD發生器驗證所有結果。那麼，為什麼我們不簡單地使用我們的ESD發生器來測試所有東西，它對大多數工程師來說更為熟悉並被普遍接受？要回答這個，我認為重要的是要了解TLP不是IEC測試的替代或升級，而是作為一種分析工具對ESD槍測試進行補充。ESD槍測試告訴我們YES或NO，但TLP可以幫助我們了解WHY和HOW。
近年來，TLP已被廣泛接受，並為我們全球大多數客戶所採用。其結果已成為評估組件和系統級 ESD 的最重要參數之一。以下是有關如何將 TLP 用作分析工具的一些提示。
瞬態擊穿和開啟特性
選擇理想的瞬態電壓抑制器(TVS)保護器件的第一步是識別工作電壓(VRWM)和擊穿電壓(VBR)。VRWM保證TVS將在工作電壓或低於工作電壓時保持在 OFF階段。TVS breakdown、snapback和holding電壓/電流，可以顯示TVS 何時在ON和OFF狀態之間準確切換，這些通常使用電流在mA範圍內的直流電源進行測試，並且可以在大多數二極管數據表中找到。然而，TVS二極管旨在防止瞬態威脅，其脈衝持續時間在ns到µs範圍內。TLP測試指定100ns 脈衝寬度。從時序的角度來看，該脈衝寬度更接近於真實世界的ESD瞬變。取決於TVS技術，rise time和pulse duration都會對這些turn on特性產生很大影響。
圖 1：不同技術之間的 TLP 比較
Semtech提供不同的TVS技術以滿足不同應用的需求。圖1中的TLP比較顯示了崩潰區域中不同類型TVS的行為。一般來說，具有較低崩潰電壓或保持電壓的回勾元件通常提供更好的箝位電壓，但當受保護線路上存在固定偏電壓時，這些器件可能會導致閂鎖的現象。
動態電阻 (RDYN)
在理想情況下，TVS將在崩潰電壓漸漸開啟，然後提供一條短路路徑將所有瞬態能量傳導到GND。但實際上，TVS在開始導通後會表現出一定的動態電阻。該電阻通常在mΩ範圍內。動態電阻（圖2），即IV曲線的斜率，可以說明電流增加時箝位電壓的變化程度。這通常定義在4A至16A的被測設備(DUT)電流之間，在30ns的IEC脈衝中大約為2kV至8kV的範圍。
圖 2：動態電阻
大多數ESD保護的數據僅包含使用ESD發生器在8kV下量測的箝位電壓波形，或者一些工程師僅使用8kV箝位波形來選擇器件。圖3是一個例子，展示了我們如何比較具有不同RDYN的兩個元件。具有較高動態電阻的TVS B將在兩條曲線的交叉點後表現出高箝位電壓，但仍可在較低等級下提供更好的箝位。由於在比較器件時該交叉點可以位於任何等級，因此8kV箝位圖型可能僅與8kV相關，但對於其他等級的信息並不充分。例如，在當今的高速應用中，一些數據線在系統級仍難以通過2kV的電壓，因此動態電阻變得非常關鍵。換句話說，較低的8kV箝位電壓並不總能保證所有級別的箝位電壓都較低。另一方面，動態電阻較低的TVS即使在其崩潰電壓較高時也能提供更好的箝位電壓。一條簡單的動態電阻TLP IV曲線有助於評估箝位電壓對於目標水平是否足夠低。
圖3：TVS的TLP比較
系統級分析——誰在保護誰？
大多數IC內部都有某種ESD保護結構。如果有的話，這些提供的保護非常少。但是，在瞬態事件期間，可以觸發IC內部的保護，並與外部TVS競爭 ESD電流。具有較低箝位和較快響應的路徑將傳導更多電流。圖4顯示使用TLP分析將其可視化的示例。
圖 4：TVS 有效性評估
TLP測試通常分三步完成：首先是評估沒有任何保護的IC（黑色曲線）以找到其臨界值。在這種情況下，IC在13V和8A左右發生故障。第二步是評估 TVS（綠色曲線），這將顯示TVS在將IC放在PCB上之前對IC的保護程度。在這種情況下，這個TVS需要大約16A才能達到13V，這是IC的故障臨界值；這表明在至少16A之前，TVS的箝位將低於IC的內部保護。最後一步是評估IC和TVS的組合（藍色曲線）。如圖4所示，IV曲線在TVS崩潰電壓之前是跟隨著IC的。而TVS開啟後，IC和TVS都會有導通電流，但整體IV曲線會跟隨TVS，原因是 TVS 提供的路徑阻抗比IC要低得多。IC的內部保護和TVS的結合可以使這個故障閾值至少達到24A。如果TLP結果顯示IC內部保護電路箝位低於TVS的電壓，或者甚至在TVS開啟之前就開始導通，則IC正在“保護”TVS。
一致性和可重複性
TLP分析使其成為重要分析工具的其他優點是波形的一致性和測試結果的高重複性。在測試實驗室或測試設置之間看到顯著不同的測試結果並不少見，特別是在空氣放電測試期間，由於標準中規定的ESD波形容限度更寬，以及ESD耦合路徑的複雜性。測試設置或測試程序的細微差異可能導致測試結果的重大差異。借助定義明確的50Ω系統，TLP測試可為DUT提供一致且受控的波形，這對於調試和分析非常重要。這也使得檢測任何波形失真和校準過程比IEC標準校準更快、更容易。
結論
在設計和評估系統ESD保護時，傳輸線脈衝測試是一個重要的分析工具。雖然它與ESD標準並不完全相關，但它允許將內部IC保護結構與外部TVS器件進行比較，從而提供了非常接近的參考值。從長遠來看，這種類型的分析可以節省設計系統級ESD穩健性的時間和金錢。Semtech的應用工程師團隊可以幫助進行TLP分析和系統高效ESD設計，並幫助客戶選擇在其係統中無縫運行的保護方案。