HJJF003半導(dǎo)體橋塞點(diǎn)火/起爆激發(fā)單元

概述

HJJF003半導(dǎo)體橋塞點(diǎn)火/起爆激發(fā)單元是一種快速放電的高端開關(guān)。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(diǎn)。加裝了抗射頻（EMI）及靜電（ESD）防護(hù)。適用于高可靠地激發(fā)對(duì)射頻和靜電敏感的1Ω/3Ω半導(dǎo)體橋塞（SCB）。也可用做半導(dǎo)體激光器泵源高可靠的激發(fā)單元。

電原理圖

圖1 HJJF003電原理圖

設(shè)計(jì)思路

半導(dǎo)體橋塞相對(duì)于合金橋絲而言，具有點(diǎn)火所需要的能量小、時(shí)間短、能夠形成高溫等離子放電等特性。要求其激發(fā)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(guān)執(zhí)行。在一定的供電電壓及電流要求下，P-MOS管是最好的選項(xiàng)。而成品P-MOS管的應(yīng)用又遇到了兩個(gè)挑戰(zhàn)，一是引線寄生電感，二是不合理的驅(qū)動(dòng)方式會(huì)造成P-MOS管兒的開啟損耗偏大，進(jìn)而影響激發(fā)效果。

實(shí)際工況條件，半導(dǎo)體橋塞還會(huì)受靜電放電（ESD）和射頻干擾（EMI）的影響。靜電會(huì)損傷橋塞。強(qiáng)射頻干擾會(huì)造成誤觸發(fā)。靜電、射頻干擾、放電的V-t波形圖如圖2所示。

圖2 放電的V-t波形圖

靜電脈沖有時(shí)可能高達(dá)幾萬(wàn)伏，但其作用時(shí)間Δt1≤2~3μs；射頻干擾雖在幾十伏到上百伏不等，但其持續(xù)的時(shí)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(shí)間Δt3在1μs~10μs之間。因此，HJJF003設(shè)計(jì)的主要思路就是：通過(guò)合理的驅(qū)動(dòng)P-MOS管獲取強(qiáng)放電脈沖；通過(guò)M2（NMOS管）來(lái)吸收ESD/EMI。由于厚膜集成工藝均用裸管芯通過(guò)超聲換能焊接成系統(tǒng)，故寄生電感可降至最小。

對(duì)靜電放電（ESD）和射頻干擾（EMI）的防護(hù)機(jī)理分兩種情況：

1.在系統(tǒng)不加電的情況下，此時(shí)M1、M2關(guān)斷，若半導(dǎo)體橋塞（SCB）感受到一個(gè)負(fù)向的ESD/EMI，則能量會(huì)通過(guò)D2泄放，如下圖3所示：

圖3

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

若SCB上感受到一個(gè)正向的ESD/EMI，則能量會(huì)通過(guò)D1和CO釋放，如下圖4所示：

圖4

此時(shí)，因?yàn)镃O沒(méi)有充電，正負(fù)極相當(dāng)于短路態(tài)。靜電放電（ESD）屬于極窄脈沖，其時(shí)間不足以使CO解除短路態(tài)。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(hù)SCB不激發(fā)/亞點(diǎn)火。

2.在系統(tǒng)加電但未發(fā)點(diǎn)火命令時(shí)，M1關(guān)斷，M2導(dǎo)通，CO已充電完成。此時(shí)SCB不管感受到正向ESD/EMI，還是負(fù)向ESD/EMI，均會(huì)通過(guò)導(dǎo)通的M2強(qiáng)泄放掉，如下圖5所示：

圖5

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

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。

圖 6 F08-04B封裝尺寸圖

3.2 引出端功能如下：

絕對(duì)最大額定值

電特性

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

典型應(yīng)用原理圖

圖7 HJJF003典型應(yīng)用

應(yīng)用注意事項(xiàng)：

a.為消除寄生電感對(duì)放電能量的損失，充/放電電容、橋塞應(yīng)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(duì)輸入信號(hào)的影響，在充/放電電容與橋塞公共點(diǎn)到電源地之間，應(yīng)考慮0Ω電阻;

c. VCC端不用做電源旁路；

d.器件可重復(fù)做實(shí)驗(yàn)，但是一定要留夠足夠的充電時(shí)間，確保Co完全充飽，否則會(huì)影響二次激發(fā)效果。

e.放電信號(hào)脈沖寬度一定要≥200μs，且上升沿要≤200ns，否則內(nèi)部的P-MOS管兒瞬時(shí)導(dǎo)通特性會(huì)變差，進(jìn)而影響激發(fā)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(dá)到約800K時(shí)，電阻率就開始下降。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，SCB中心區(qū)域會(huì)快速升溫，隨著負(fù)阻效應(yīng)的作用，電阻值降低，電流的路徑集中于低阻區(qū)域，溫度進(jìn)一步升高，這一作用使得高溫區(qū)域迅速融化。溫度繼續(xù)升高時(shí)中心區(qū)域開始汽化，大量熱量通過(guò)載流子擴(kuò)散和熱輻射向四周發(fā)射。隨著電離的增強(qiáng)，電阻變小，最后形成一個(gè)較強(qiáng)的高溫等離子層，產(chǎn)生高溫等離子體輻射放電，從而引爆裝載的藥劑。

g. 根據(jù)電容放電能量公式E=（C×U2）÷2，若VCC較小時(shí)，Co應(yīng)選用容值較大的電容，便于使橋塞在起爆時(shí)有充足能量進(jìn)入負(fù)阻態(tài)。

典型應(yīng)用數(shù)據(jù)

評(píng)估板

1.SCB激發(fā)單元

2.半導(dǎo)體激光器激發(fā)單元