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HJJF003半導體橋塞點火/起爆激發單元

陜西航晶微電子有限公司 ? 2023-05-16 11:36 ? 次閱讀

01 概述

HJJF003半導體橋塞點火/起爆激發單元是一種快速放電的高端開關。它是基于符合GJB2438要求的厚膜集成制作而成。具有體積小、放電電流大、放電快速等特點。加裝了抗射頻(EMI)及靜電(ESD)防護。適用于高可靠地激發對射頻和靜電敏感的1Ω/3Ω半導體橋塞(SCB)。也可用做半導體激光器泵源高可靠的激發單元。

wKgaomRi-DuAS_LuAAKSh50FIuc314.png

02 電原理圖

wKgZomRi-EuAUFIMAAB8Jb3Mxc8209.png

圖1 HJJF003電原理圖

wKgZomRi-GCAUCgYAACbj94Lw7g122.png

設計思路

半導體橋塞相對于合金橋絲而言,具有點火所需要的能量小、時間短、能夠形成高溫等離子放電等特性。要求其激發單元必須具備快速放大電流的能力。橋塞一端必須接地(GND),出于安全性的考慮,必須選用高端開關執行。在一定的供電電壓及電流要求下,P-MOS管是最好的選項。而成品P-MOS管的應用又遇到了兩個挑戰,一是引線寄生電感,二是不合理的驅動方式會造成P-MOS管兒的開啟損耗偏大,進而影響激發效果。

實際工況條件,半導體橋塞還會受靜電放電(ESD)和射頻干擾(EMI)的影響。靜電會損傷橋塞。強射頻干擾會造成誤觸發。靜電、射頻干擾、放電的V-t波形圖如圖2所示。

wKgaomRi-G2AGvrbAAALOg5g2SA253.png

圖2 放電的V-t波形圖

靜電脈沖有時可能高達幾萬伏,但其作用時間Δt1≤2~3μs;射頻干擾雖在幾十伏到上百伏不等,但其持續的時間Δt2在幾十μs到幾十ms之間;正常需要的放電脈沖在15~36V,有效作用時間Δt3在1μs~10μs之間。因此,HJJF003設計的主要思路就是:通過合理的驅動P-MOS管獲取強放電脈沖;通過M2(NMOS管)來吸收ESD/EMI。由于厚膜集成工藝均用裸管芯通過超聲換能焊接成系統,故寄生電感可降至最小。

對靜電放電(ESD)和射頻干擾(EMI)的防護機理分兩種情況:

1.在系統不加電的情況下,此時M1、M2關斷,若半導體橋塞(SCB)感受到一個負向的ESD/EMI,則能量會通過D2泄放,如下圖3所示:

wKgaomRi-IWAdHQcAAC68WIy22k989.png

圖3

此時,SCB上的最大感受電壓≤1.2V(@IF≤38A),能夠有效地保護SCB不激發/亞點火。

若SCB上感受到一個正向的ESD/EMI,則能量會通過D1和CO釋放,如下圖4所示:

wKgZomRi-JqAFbaGAACfmn4mss8511.png

圖4

此時,因為CO沒有充電,正負極相當于短路態。靜電放電(ESD)屬于極窄脈沖,其時間不足以使CO解除短路態。而EMI放電脈沖雖然較寬,但只要小于300ms,也不足以使CO充電。從而有效保護SCB不激發/亞點火。

2.在系統加電但未發點火命令時,M1關斷,M2導通,CO已充電完成。此時SCB不管感受到正向ESD/EMI,還是負向ESD/EMI,均會通過導通的M2強泄放掉,如下圖5所示:

wKgaomRi-KqAVhlaAAAm95pJnao812.png

圖5


由于M2是一個導通電阻約60mΩ的管子,因而能承受約50A的非重復浪涌電流,因而能有效地保護1Ω/3Ω的SCB免受ESD/EMI影響。


03

封裝形式及引出端功能 3.1 采用F08-04B 紫瓷扁平封裝,封裝尺寸如圖 6所示。

wKgZomRi-MGAIDzxAAA7Ow66iro910.png

圖 6 F08-04B封裝尺寸圖

3.2 引出端功能如下:

wKgZomRi-NCAdqHdAAB7TY797kM497.png

04

絕對最大額定值

wKgZomRi-NyAcdnZAABGkyz81hE307.png

05

電特性

除非另有規定外,VCC=15V,CO=68μF,SCB阻值為1Ω,TA=25℃

wKgaomRi-O2AQunNAACzHpaEstU232.png

06

典型應用原理圖

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圖7 HJJF003典型應用

應用注意事項:

a.為消除寄生電感對放電能量的損失,充/放電電容、橋塞應盡可能靠近器件排布、互連線盡可能短且粗;

b.為了防止快速放電GND噪聲對輸入信號的影響,在充/放電電容與橋塞公共點到電源地之間,應考慮0Ω電阻;

c. VCC端不用做電源旁路;

d.器件可重復做實驗,但是一定要留夠足夠的充電時間,確保Co完全充飽,否則會影響二次激發效果。

e.放電信號脈沖寬度一定要≥200μs,且上升沿要≤200ns,否則內部的P-MOS管兒瞬時導通特性會變差,進而影響激發效果。

f. SCB一般由高摻雜的多晶硅組成,其電阻率上升較為緩慢,且在達到約800K時,電阻率就開始下降。當有電流通過時,SCB中心區域會快速升溫,隨著負阻效應的作用,電阻值降低,電流的路徑集中于低阻區域,溫度進一步升高,這一作用使得高溫區域迅速融化。溫度繼續升高時中心區域開始汽化,大量熱量通過載流子擴散和熱輻射向四周發射。隨著電離的增強,電阻變小,最后形成一個較強的高溫等離子層,產生高溫等離子體輻射放電,從而引爆裝載的藥劑。

g. 根據電容放電能量公式E=(C×U2)÷2,若VCC較小時,Co應選用容值較大的電容,便于使橋塞在起爆時有充足能量進入負阻態。


07

典型應用數據

wKgaomRi-Q6AX9LsAACEzZa4ZN4337.pngwKgaomRi-SCAJOINAAV-1NrHh5g825.pngwKgaomRi-TKADd6cAACQMnAEt0I223.png

08

評估板

1.SCB激發單元

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wKgaomRi-U2AW2XwAAB4zzVpjTc740.pngwKgaomRi-VSAGmOZAAC2uD6Xo60469.png

2.半導體激光器激發單元

wKgZomRi-WCAN9bbAAB3LyY3Ks8802.pngwKgaomRi-WeAZXNjAAEtgAeyLFg510.pngwKgZomRi-XKAK6tqAAEXcwgC_1A493.png

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