HJJF003半导体桥塞点火/起爆激发单元

 

 

01      概述        

 

HJJF003半导体桥塞点火/起爆激发单元是一种快速放电的高端开关。它是基于符合GJB2438要求的厚膜集成制作而成。具有体积小、放电电流大、放电快速等特点。加装了抗射频（EMI）及静电（ESD）防护。适用于高可靠地激发对射频和静电敏感的1Ω/3Ω半导体桥塞（SCB）。也可用做半导体激光器泵源高可靠的激发单元。

 

 

02     电原理图

 

 

图1   HJJF003电原理图

 

设计思路

半导体桥塞相对于合金桥丝而言，具有点火所需要的能量小、时间短、能够形成高温等离子放电等特性。要求其激发单元必须具备快速放大电流的能力。桥塞一端必须接地（GND），出于安全性的考虑，必须选用高端开关执行。在一定的供电电压及电流要求下，P-MOS管是最好的选项。而成品P-MOS管的应用又遇到了两个挑战，一是引线寄生电感，二是不合理的驱动方式会造成P-MOS管儿的开启损耗偏大，进而影响激发效果。

实际工况条件，半导体桥塞还会受静电放电（ESD）和射频干扰（EMI）的影响。静电会损伤桥塞。强射频干扰会造成误触发。静电、射频干扰、放电的V-t波形图如图2所示。

 

图2    放电的V-t波形图

 

静电脉冲有时可能高达几万伏，但其作用时间Δt1≤2~3μs；射频干扰虽在几十伏到上百伏不等，但其持续的时间Δt2 在几十μs到几十ms之间；正常需要的放电脉冲在15~36V，有效作用时间Δt3在1μs~10μs之间。因此，HJJF003设计的主要思路就是：通过合理的驱动P-MOS管获取强放电脉冲；通过M2（NMOS管）来吸收ESD/EMI。由于厚膜集成工艺均用裸管芯通过超声换能焊接成系统，故寄生电感可降至最小。

 

对静电放电（ESD）和射频干扰（EMI）的防护机理分两种情况：

1.在系统不加电的情况下，此时M1、M2关断，若半导体桥塞（SCB）感受到一个负向的ESD/EMI，则能量会通过D2泄放，如下图3所示：

 

 

 

图3

此时，SCB上的最大感受电压≤1.2V（@IF≤38A），能够有效地保护SCB不激发/亚点火。

若SCB上感受到一个正向的ESD/EMI，则能量会通过D1和CO释放，如下图4所示：

图4

此时，因为CO没有充电，正负极相当于短路态。静电放电（ESD）属于极窄脉冲，其时间不足以使CO解除短路态。而EMI放电脉冲虽然较宽，但只要小于300ms，也不足以使CO充电。从而有效保护SCB不激发/亚点火。

 

2.在系统加电但未发点火命令时，M1关断，M2导通，CO已充电完成。此时SCB不管感受到正向ESD/EMI，还是负向ESD/EMI，均会通过导通的M2强泄放掉，如下图5所示：

 

图5

    由于M2是一个导通电阻约60mΩ的管子，因而能承受约50A的非重复浪涌电流，因而能有效地保护1Ω/3Ω的SCB免受ESD/EMI影响。

 

 

03

封装形式及引出端功能 3.1 采用F08-04B 紫瓷扁平封装，封装尺寸如图 6 所示。

图 6   F08-04B封装尺寸图

 

3.2 引出端功能如下：

 

04

    绝对最大额定值 

05

   电特性 

 

除非另有规定外，VCC=15V，CO=68μF，SCB阻值为1Ω，TA=25℃

 

06

   典型应用原理图   

 

图7  HJJF003典型应用

应用注意事项：

a.为消除寄生电感对放电能量的损失，充/放电电容、桥塞应尽可能靠近器件排布、互连线尽可能短且粗;

b.为了防止快速放电GND噪声对输入信号的影响，在充/放电电容与桥塞公共点到电源地之间，应考虑0Ω电阻;

c. VCC端不用做电源旁路；

d.器件可重复做实验，但是一定要留够足够的充电时间，确保Co完全充饱，否则会影响二次激发效果。

e.放电信号脉冲宽度一定要≥200μs，且上升沿要≤200ns，否则内部的P-MOS管儿瞬时导通特性会变差，进而影响激发效果。

f. SCB一般由高掺杂的多晶硅组成，其电阻率上升较为缓慢，且在达到约800K时，电阻率就开始下降。当有电流通过时，SCB中心区域会快速升温，随着负阻效应的作用，电阻值降低，电流的路径集中于低阻区域，温度进一步升高，这一作用使得高温区域迅速融化。温度继续升高时中心区域开始汽化，大量热量通过载流子扩散和热辐射向四周发射。随着电离的增强，电阻变小，最后形成一个较强的高温等离子层，产生高温等离子体辐射放电，从而引爆装载的药剂。

g. 根据电容放电能量公式E=（C×U2）÷2，若VCC较小时，Co应选用容值较大的电容，便于使桥塞在起爆时有充足能量进入负阻态。

 

 

 

 

07

   典型应用数据   

 

 

08

     评估板     

 

 

1.SCB激发单元

 

 

 

2.半导体激光器激发单元