【導(dǎo)讀】電子產(chǎn)品小型化,已是目前無法回避的設(shè)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(yīng)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(shè)備安全間取得折衷設(shè)計方案,成為產(chǎn)品設(shè)計必須正視的問題...
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)計方案,成為產(chǎn)品設(shè)計必須正視的問題...
ESD(Electrostatic Discharge)問題,對于小型化的設(shè)備來說,有相當重要的指標意義,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,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防護設(shè)計,電路中導(dǎo)入TVS元器件進行區(qū)塊功能保護,已是常見設(shè)計。而新的電子設(shè)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(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)強度,同時討論針對行動裝置、消費性電子的設(shè)計典型應(yīng)用案例。
小型化設(shè)計方案 更須重視ESD設(shè)計
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。為達到上述產(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(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)計方案為了節(jié)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。
在進行電子電路之ESD防護設(shè)計,必須理解ESD保護的方法。一般為電路保護目的開發(fā)的整合組件,所能因應(yīng)的問題條件也不同,設(shè)計時必須了解關(guān)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(fā)生的能量、同時保護電路系統(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)計方案剛好達到ESD可能產(chǎn)生的安全工作范圍。
一般保護組件都是設(shè)計來吸收突發(fā)、大量外部能量,而組件的設(shè)計方案可能會讓組件導(dǎo)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(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、自保護電路中快速旁路引導(dǎo)排除。而TVS可設(shè)計于電路與受保護的區(qū)塊電路并連設(shè)計,當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、進而達到保護關(guān)鍵組件之設(shè)計目標。
當TVS保護機制作動后,會持續(xù)地提供低阻抗引導(dǎo)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(zhuǎn)換回原有的高阻抗狀態(tài),讓整體電路返回正常運作狀態(tài)。
但觀察整個TVS作動條件、保護過程會發(fā)現(xiàn),TVS經(jīng)過多次保護程序作動后,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防護過程后,也可能因為組件退化出現(xiàn)損壞狀態(tài)。[member]
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針對設(shè)計方案需求 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),但實際組件的作動時機,并非標注參數(shù)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(yīng)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(shè)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(guī)格更高的TVS組件導(dǎo)入設(shè)計。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(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,因為,若電子電路中出現(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,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(tài)的ESD保護設(shè)計中,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、衰減訊號本身的強度...等。
在實際應(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、PDA或平板計算機,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)量相當多,多半為采用半外露的設(shè)計型態(tài),即讓接腳暴露在插槽中,這類ESD防護設(shè)計可用SOT封裝的TVS保護組件,尤其可在封裝選擇小體積設(shè)計、薄化設(shè)計方案,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)計情境的ESD設(shè)計中,就可以實行針對高速數(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,將受保護線路之TVS電容壓低至少于3pf或更低。