【導(dǎo)讀】電子產(chǎn)品小型化，已是目前無法回避的設(shè)計(jì)方向，但小型化同時也代表著載板面積有限、元器件必須考慮以更高整合度的應(yīng)用方案取代，而一般針對 ESD保護(hù)較高的元器件，其體積也相對較大，如何在小型化與設(shè)備安全間取得折衷設(shè)計(jì)方案，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須正視的問題...
電子產(chǎn)品體積小型化，已是目前無法回避的設(shè)計(jì)方向，但小型化同時也代表著載板面積有限、元器件必須考慮以更高整合度的應(yīng)用方案取代，而一般針對ESD保護(hù)較高的元器件，其體積也相對較大，如何在小型化與設(shè)備安全間取得折衷設(shè)計(jì)方案，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須正視的問題...
ESD(Electrostatic Discharge)問題，對于小型化的設(shè)備來說，有相當(dāng)重要的指標(biāo)意義，尤其是高復(fù)雜度的設(shè)備，即易因ESD的短暫作用而使關(guān)鍵芯片受到損壞，若能在設(shè)備加入更多ESD改善設(shè)計(jì)，將可使設(shè)備的耐用度與壽命增加，同時避免故障返修造成的成本問題。
針對ESD防護(hù)設(shè)計(jì)，電路中導(dǎo)入TVS元器件進(jìn)行區(qū)塊功能保護(hù)，已是常見設(shè)計(jì)。而新的電子設(shè)備在重點(diǎn)連接接口越來越多元，如mini HDMI、Micro USB、RJ-45...等高速接口，在使用接腳不亞于標(biāo)準(zhǔn)接口，同時也形成ESD問題導(dǎo)入設(shè)備的常見管道，以下將介紹以TVS(Transient Voltage Suppresser)二極管方案(瞬時電壓抑制器)防止ESD問題鑿穿關(guān)鍵應(yīng)用芯片，透過設(shè)置TVS改善設(shè)備或芯片對鑿穿電壓／電流的對應(yīng)強(qiáng)度，同時討論針對行動裝置、消費(fèi)性電子的設(shè)計(jì)典型應(yīng)用案例。
小型化設(shè)計(jì)方案 更須重視ESD設(shè)計(jì)
在時尚流行趨勢的推波助瀾下，電子設(shè)備趨向采取更輕、更薄、效能更佳等應(yīng)用設(shè)計(jì)。為達(dá)到上述產(chǎn)品開發(fā)目的，設(shè)備必須使用更小型化設(shè)計(jì)的元器件方案，但小型化元器件本身也會因?yàn)椴牧舷拗疲沟迷幸驊?yīng)外部ESD問題能力受到影響，如為了縮小載板面積采用高密度多層板、更細(xì)窄的線路布設(shè)、應(yīng)用更高晶體管密度之整合芯片，都會造成ESD問題呈倍數(shù)呈現(xiàn)。只要設(shè)計(jì)方案為了節(jié)省體積而縮減ESD防護(hù)等級，便會讓外部ESD問題造成電子電路之影響擴(kuò)大。
在進(jìn)行電子電路之ESD防護(hù)設(shè)計(jì)，必須理解ESD保護(hù)的方法。一般為電路保護(hù)目的開發(fā)的整合組件，所能因應(yīng)的問題條件也不同，設(shè)計(jì)時必須了解關(guān)鍵保護(hù)組件的特性與使用情境，例如，在箝位電壓組件TVS方面，使用時為專門用來吸收外部ESD發(fā)生的能量、同時保護(hù)電路系統(tǒng)免受ESD損害內(nèi)部固態(tài)組件，最佳的應(yīng)用狀態(tài)為設(shè)計(jì)方案剛好達(dá)到ESD可能產(chǎn)生的安全工作范圍。
一般保護(hù)組件都是設(shè)計(jì)來吸收突發(fā)、大量外部能量，而組件的設(shè)計(jì)方案可能會讓組件導(dǎo)致具較高箝位電壓，或是讓保護(hù)電路本身的電阻、電容值過高，反而造成無法有效減小ESD問題造成之損害，而TVS組件可以改善阻抗過高與等效電容等關(guān)鍵問題。
選用合宜TVS 需注意組件參數(shù)
選用TVS組件仍須考慮幾個關(guān)鍵參數(shù)，而處理瞬間高額脈沖導(dǎo)致組件損壞，最佳的對應(yīng)方案為將瞬間突波產(chǎn)生的高額電流量、自保護(hù)電路中快速旁路引導(dǎo)排除。而TVS可設(shè)計(jì)于電路與受保護(hù)的區(qū)塊電路并連設(shè)計(jì)，當(dāng)ESD產(chǎn)生的外部突波高電流問題時，TVS組件快速形成極低阻抗之電子回路，瞬時將高額電流引導(dǎo)至二極管引開、進(jìn)而達(dá)到保護(hù)關(guān)鍵組件之設(shè)計(jì)目標(biāo)。
當(dāng)TVS保護(hù)機(jī)制作動后，會持續(xù)地提供低阻抗引導(dǎo)高額電流保護(hù)過程，但當(dāng)電路中脈沖突波高額電流問題解除后，TVS隨即自動轉(zhuǎn)換回原有的高阻抗?fàn)顟B(tài)，讓整體電路返回正常運(yùn)作狀態(tài)。
但觀察整個TVS作動條件、保護(hù)過程會發(fā)現(xiàn)，TVS經(jīng)過多次保護(hù)程序作動后，會在一定的工作限定范圍內(nèi)開始出現(xiàn)組件退化，出現(xiàn)如反應(yīng)速度趨慢或是回復(fù)時間變長等問題，而TVS遭多次高額ESD防護(hù)過程后，也可能因?yàn)榻M件退化出現(xiàn)損壞狀態(tài)。[member]
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針對設(shè)計(jì)方案需求 尋找合宜參數(shù)表現(xiàn)元器件
因此我們可以推導(dǎo)，選擇TVS的幾個關(guān)鍵參考數(shù)據(jù)，用以評估開發(fā)項(xiàng)目導(dǎo)入TVS的料件形式、規(guī)格要求。例如，TVS的VBR(最小鑿穿電壓)、Ir(鑿穿電流)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其中VBR的規(guī)格是以25°C條件下的最小鑿穿電壓，低于鑿穿電壓TVS將會呈現(xiàn)高阻抗、無作動狀態(tài)，但實(shí)際組件的作動時機(jī)，并非標(biāo)注參數(shù)這么精準(zhǔn)，而是會有小幅的離散程度，如VBR有5%~10%離散差異。
因應(yīng)IEC61000-4-2國際認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，TVS需要達(dá)到8kV(接觸型ESD)、15kV(空氣ESD)之沖擊耐受性，雖然認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)已提供標(biāo)準(zhǔn)，但設(shè)計(jì)方案若需要針對ESD問題拉高要求標(biāo)準(zhǔn)，也可依需求選擇規(guī)格更高的TVS組件導(dǎo)入設(shè)計(jì)。而TVS還須考慮Vwm、Vc等于突波抑制能力相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，其中Vwm為TVS二極管正常運(yùn)行狀態(tài)可承受之外部電壓，Vc為最大峰值電壓，需妥慎確認(rèn)才不會讓被保護(hù)電路暴露在ESD問題風(fēng)險之下。
針對手持行動裝置而言，一般TVS選擇Pppm額定脈沖功率時，以組件處于最大截止電壓之峰值脈沖電流換算，一般具500W的TVS Pppm就相當(dāng)夠用了。除檢視Pppm外，還得確認(rèn)最大峰值脈沖功耗Pm，而在TVS處于最大箝位電壓時，Pm越大代表組件本身可承受的外部突波電流安培數(shù)較高，即為可面對之突波電流處理能力表現(xiàn)更佳。
TVS累積脈沖處理 也會影響組件壽命
而TVS組件除電氣規(guī)格數(shù)據(jù)外，仍須針對如組件對ESD脈沖出現(xiàn)重復(fù)頻率問題，因?yàn)椋綦娮与娐分谐霈F(xiàn)的ESD脈沖頻次過高，在TVS經(jīng)反復(fù)高頻次脈沖后的累積下，也可能因此造成TVS產(chǎn)生功能損傷。
TVS另還有個必須考慮的規(guī)格重點(diǎn)，即TVS的等效電容，其組件電容值是在組件處于1MHz下進(jìn)行測定，而電容值的大小與TVS的電流承受能力呈正比，亦即電容越高、耐受電流也就越高，但電容過大將會形成訊號衰減，尤其是在接口型態(tài)的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)中，由于傳輸接口要求高頻數(shù)據(jù)交換／傳輸，若TVS的電容值較高會讓高速傳輸速度受到影響，甚至造成信號之噪訊、衰減訊號本身的強(qiáng)度...等。
在實(shí)際應(yīng)用TVS時，仍須考慮元器件的電容值范圍。如在高頻、高速應(yīng)用場合中，應(yīng)避免使用電容值較高的產(chǎn)品，應(yīng)以LCTVS低電容TVS產(chǎn)品為應(yīng)用首選，一般這類低電容設(shè)計(jì)之TVS其電容值大多低于3pf；但對于速度要求不高、非高速傳輸回路用之TVS元器件，則可以選擇TVS電容值較高的產(chǎn)品，壓縮料件成本。
尤其是智能型手機(jī)、PDA或平板計(jì)算機(jī)，底部通常會設(shè)置多功能傳輸端口，這類傳輸埠的接腳數(shù)量相當(dāng)多，多半為采用半外露的設(shè)計(jì)型態(tài)，即讓接腳暴露在插槽中，這類ESD防護(hù)設(shè)計(jì)可用SOT封裝的TVS保護(hù)組件，尤其可在封裝選擇小體積設(shè)計(jì)、薄化設(shè)計(jì)方案，以滿足行動裝置之應(yīng)用需求。
另針對視訊、傳輸線、網(wǎng)絡(luò)孔(RJ-45)這類設(shè)計(jì)情境的ESD設(shè)計(jì)中，就可以實(shí)行針對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡碗娙軹VS組件，尤其是現(xiàn)有HDMI、Display Port傳輸速度大幅提升，必須搭配低電容之LCTVS組件應(yīng)用，將受保護(hù)線路之TVS電容壓低至少于3pf或更低。
