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    高密度、小型化電子設備的ESD保護設計方案

    發布時間:2012-09-14 責任編輯:sunnypeng

    【導讀】電子產品小型化,已是目前無法回避的設計方向,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用方案取代,而一般針對 ESD保護較高的元器件,其體積也相對較大,如何在小型化與設備安全間取得折衷設計方案,成為產品設計必須正視的問題...

    電子產品體積小型化,已是目前無法回避的設計方向,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用方案取代,而一般針對ESD保護較高的元器件,其體積也相對較大,如何在小型化與設備安全間取得折衷設計方案,成為產品設計必須正視的問題...
    針對ESD防護設計,電路中導入TVS元器件進行區塊功能保護,已是常見設計。
    ESD(Electrostatic Discharge)問題,對于小型化的設備來說,有相當重要的指標意義,尤其是高復雜度的設備,即易因ESD的短暫作用而使關鍵芯片受到損壞,若能在設備加入更多ESD改善設計,將可使設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防護設計,電路中導入TVS元器件進行區塊功能保護,已是常見設計。而新的電子設備在重點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準接口,同時也形成ESD問題導入設備的常見管道,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問題鑿穿關鍵應用芯片,透過設置TVS改善設備或芯片對鑿穿電壓/電流的對應強度,同時討論針對行動裝置、消費性電子的設計典型應用案例。

    小型化設計方案 更須重視ESD設計

    在時尚流行趨勢的推波助瀾下,電子設備趨向采取更輕、更薄、效能更佳等應用設計。為達到上述產品開發目的,設備必須使用更小型化設計的元器件方案,但小型化元器件本身也會因為材料限制,使得原有因應外部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、更細窄的線路布設、應用更高晶體管密度之整合芯片,都會造成ESD問題呈倍數呈現。只要設計方案為了節省體積而縮減ESD防護等級,便會讓外部ESD問題造成電子電路之影響擴大。
    平板計算機、智能型手機等行動裝置,外接接口多元,必須妥善進行ESD防護,避免設備因ESD問題損壞、故障。
    在進行電子電路之ESD防護設計,必須理解ESD保護的方法。一般為電路保護目的開發的整合組件,所能因應的問題條件也不同,設計時必須了解關鍵保護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發生的能量、同時保護電路系統免受ESD損害內部固態組件,最佳的應用狀態為設計方案剛好達到ESD可能產生的安全工作范圍。

    一般保護組件都是設計來吸收突發、大量外部能量,而組件的設計方案可能會讓組件導致具較高箝位電壓,或是讓保護電路本身的電阻、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鍵問題。

    選用合宜TVS 需注意組件參數

    選用TVS組件仍須考慮幾個關鍵參數,而處理瞬間高額脈沖導致組件損壞,最佳的對應方案為將瞬間突波產生的高額電流量、自保護電路中快速旁路引導排除。而TVS可設計于電路與受保護的區塊電路并連設計,當ESD產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至二極管引開、進而達到保護關鍵組件之設計目標。

    當TVS保護機制作動后,會持續地提供低阻抗引導高額電流保護過程,但當電路中脈沖突波高額電流問題解除后,TVS隨即自動轉換回原有的高阻抗狀態,讓整體電路返回正常運作狀態。

    但觀察整個TVS作動條件、保護過程會發現,TVS經過多次保護程序作動后,會在一定的工作限定范圍內開始出現組件退化,出現如反應速度趨慢或是回復時間變長等問題,而TVS遭多次高額ESD防護過程后,也可能因為組件退化出現損壞狀態。[member]
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    針對設計方案需求 尋找合宜參數表現元器件

    因此我們可以推導,選擇TVS的幾個關鍵參考數據,用以評估開發項目導入TVS的料件形式、規格要求。例如,TVS的VBR(最小鑿穿電壓)、Ir(鑿穿電流)等關鍵數據,其中VBR的規格是以25°C條件下的最小鑿穿電壓,低于鑿穿電壓TVS將會呈現高阻抗、無作動狀態,但實際組件的作動時機,并非標注參數這么精準,而是會有小幅的離散程度,如VBR有5%~10%離散差異。

    因應IEC61000-4-2國際認證標準,TVS需要達到8kV(接觸型ESD)、15kV(空氣ESD)之沖擊耐受性,雖然認證標準已提供標準,但設計方案若需要針對ESD問題拉高要求標準,也可依需求選擇規格更高的TVS組件導入設計。而TVS還須考慮Vwm、Vc等于突波抑制能力相關的關鍵參數,其中Vwm為TVS二極管正常運行狀態可承受之外部電壓,Vc為最大峰值電壓,需妥慎確認才不會讓被保護電路暴露在ESD問題風險之下。

    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就相當夠用了。除檢視Pppm外,還得確認最大峰值脈沖功耗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較高,即為可面對之突波電流處理能力表現更佳。

    TVS累積脈沖處理 也會影響組件壽命

    而TVS組件除電氣規格數據外,仍須針對如組件對ESD脈沖出現重復頻率問題,因為,若電子電路中出現的ESD脈沖頻次過高,在TVS經反復高頻次脈沖后的累積下,也可能因此造成TVS產生功能損傷。

    TVS另還有個必須考慮的規格重點,即TVS的等效電容,其組件電容值是在組件處于1MHz下進行測定,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,尤其是在接口型態的ESD保護設計中,由于傳輸接口要求高頻數據交換/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、衰減訊號本身的強度...等。

    在實際應用TVS時,仍須考慮元器件的電容值范圍。如在高頻、高速應用場合中,應避免使用電容值較高的產品,應以LCTVS低電容TVS產品為應用首選,一般這類低電容設計之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電容值較高的產品,壓縮料件成本。

    尤其是智能型手機、PDA或平板計算機,底部通常會設置多功能傳輸端口,這類傳輸埠的接腳數量相當多,多半為采用半外露的設計型態,即讓接腳暴露在插槽中,這類ESD防護設計可用SOT封裝的TVS保護組件,尤其可在封裝選擇小體積設計、薄化設計方案,以滿足行動裝置之應用需求。

    另針對視訊、傳輸線、網絡孔(RJ-45)這類設計情境的ESD設計中,就可以實行針對高速數據傳輸的低電容TVS組件,尤其是現有HDMI、Display Port傳輸速度大幅提升,必須搭配低電容之LCTVS組件應用,將受保護線路之TVS電容壓低至少于3pf或更低。



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