【導(dǎo)讀】電子產(chǎn)品朝著輕、薄、短、小方向發(fā)展已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)，不僅如此，對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品接口保護(hù)的重視度也持續(xù)提升，保護(hù)元件已成電子裝置的設(shè)計(jì)關(guān)鍵重點(diǎn)！在面對(duì)裝置接口高頻運(yùn)行，保護(hù)裝置除需因應(yīng)縮小化需求，更易受到環(huán)境噪訊影響的狀況下，如何選擇適用的保護(hù)元件解決方案，便有更多變量需要考量...
傳統(tǒng)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為提升電路系統(tǒng)因應(yīng)靜電放電(Electrostatic Discharge；ESD)狀況時(shí)的系統(tǒng)強(qiáng)固保護(hù)效果，產(chǎn)品開發(fā)人員必須采行多種方案來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)能符合ESD要求的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是裝置最易遭受ESD問(wèn)題的輸出/入接口(I/O)的關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)，通常會(huì)使用瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor；TVS)元件，來(lái)增強(qiáng)線路對(duì)于ESD問(wèn)題的抵御能力。
特別是手持式裝置，例如智能型手機(jī)、游戲機(jī)、PMP或熱門的平板計(jì)算機(jī)，這類相對(duì)高階的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有搭載精密的高效微處理器、存儲(chǔ)器、集成網(wǎng)絡(luò)芯片等元件，其電氣系統(tǒng)在抵御ESD的部分原本就呈現(xiàn)相對(duì)弱勢(shì)，必須透過(guò)設(shè)計(jì)手段加以改善，使產(chǎn)品不受ESD破壞或影響。
不同TVS元件類型 適用場(chǎng)合不同
基本上，防護(hù)ESD現(xiàn)象可用電路或元件集成來(lái)進(jìn)行改善，但目前在電子電路縮小化的趨勢(shì)下，傳統(tǒng)防護(hù)ESD可用PCB走線或電子元件改善的應(yīng)用方針，目前已經(jīng)相對(duì)不適用，反而是采取集成型的TVS元件來(lái)因應(yīng)ESD防護(hù)需求，漸成為常見的設(shè)計(jì)形式，而TVS元件也分成兩大類型。
TVS可以不同電源范圍選擇單向、雙向的防護(hù)設(shè)計(jì)效果，單向和雙向TVS元件，均可提供保護(hù)正向和負(fù)向的應(yīng)力，而TVS基本上是在ESD產(chǎn)生的瞬間產(chǎn)生維持線路高阻抗、低泄漏狀態(tài)的一個(gè)電壓范圍。對(duì)于ESD的防護(hù)關(guān)鍵，在于判定多大以上的瞬態(tài)電器現(xiàn)象屬于ESD，此種電壓范圍將決定TVS元件可使用于哪里一類的電路節(jié)點(diǎn)保護(hù)應(yīng)用。
例如，雙向TVS是具有相對(duì)于0V的對(duì)稱特性，適合保護(hù)對(duì)稱或雙向的電子電路節(jié)點(diǎn)。至于單向TVS產(chǎn)品為具有相對(duì)0伏特的不對(duì)稱特性，較適合保護(hù)電壓極性相同的電路節(jié)點(diǎn)。至于消弧(Crowbar)元件擁有負(fù)阻抗區(qū)域，在低電壓時(shí)具高阻抗，當(dāng)電壓較高時(shí)可觸發(fā)電路導(dǎo)通機(jī)制，使電路的電流增大同時(shí)電壓降低，而消弧TVS亦可提供保護(hù)。
在實(shí)際元件方面，ESD TVS元件使用的技術(shù)主要有壓敏電阻、聚合物與二極管(矽)等3類。壓敏電阻屬于雙向的保護(hù)元件，基本上是具備極寬電流與電壓范圍能力，通常用于高壓輸電線路和落雷的保護(hù)用途，但也有用于小型表面黏貼元件(Surface Mount Technology；SMD)技術(shù)ESD保護(hù)電路應(yīng)用。
但壓敏電阻在其導(dǎo)電率方面也會(huì)存在較高的線路電容，讓壓敏電阻在高頻訊號(hào)線路方面應(yīng)用受到局限。甚至壓敏電阻在遭受多次ESD問(wèn)題后，會(huì)使元件多次受ESD應(yīng)力，其元件防護(hù)性能也會(huì)下降。
因應(yīng)高速訊號(hào)接口的ESD防護(hù)需求
而近來(lái)的趨勢(shì)是，當(dāng)USB 3.0、HDMI 1.4或DisplayPort等高速接口推陳出新，讓接口的傳輸訊號(hào)頻率大幅增加，但接口的ESD防護(hù)又不可缺乏的現(xiàn)實(shí)下，多數(shù)TVS方案會(huì)選用聚合物式的浪涌抑制器元件以因應(yīng)ESD接口防護(hù)需求，尤其在大量高速傳輸應(yīng)用，此種解決方案亦相當(dāng)常見。基本上，聚合物的浪涌抑制元件即為消弧元件！
因?yàn)橄≡殡p向保護(hù)元件，在元件的線路電容表現(xiàn)相對(duì)極低，此特性對(duì)于大量、高頻的高速傳輸應(yīng)用方面，成為極具吸引力的ESD解決方案。但消弧元件也不是沒(méi)有缺點(diǎn)，因?yàn)橄≡膯?wèn)題在于導(dǎo)通的電壓高，導(dǎo)通阻抗性能也相對(duì)較差，尤其是遭受多次ESD應(yīng)力時(shí)也會(huì)讓ESD防護(hù)性能趨于下滑。
另一款常見的ESD防護(hù)元件，即為金屬氧化物變阻器(Metal Oxide Varistor；MOV)，但金屬氧化物變阻器的特性是元件處于低電流、低電壓時(shí)會(huì)具備高阻抗特性，但高電壓、高電流時(shí)，金屬氧化物變阻器的元件阻抗則會(huì)呈現(xiàn)下降，金屬氧化物變阻器屬于電壓的鉗位元件。
此外，以往矽制的TVS元件，由于電容表現(xiàn)較高，在保護(hù)低電壓、高速傳輸?shù)挠嵦?hào)線路應(yīng)用方面有相當(dāng)多的不利因素，但實(shí)際上近年的ESD防護(hù)技術(shù)不斷進(jìn)步，讓矽制的TVS元件也逐漸能滿足高頻、高速應(yīng)用線路的ESD防護(hù)需求。多數(shù)二極管都采用“矽”制造，此為一種雙端元件，順向?yàn)橐粋€(gè)較低阻抗的傳導(dǎo)電流，逆向則形成取決于一定量才能擊穿電壓的高阻抗元件特性，而矽制二極管元件特性為單向元件。
矽制二極管的TVS元件，擁有多數(shù)ESD保護(hù)元件可選擇單向或雙向保護(hù)特性，實(shí)際上單組二極管為單向保護(hù)元件，若串聯(lián)結(jié)合2組單向的TVS元件即可建構(gòu)1組雙向保護(hù)元件。市面上已有多種以雙向二極管為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的TVS集成元件。以往矽TVS元件存在電容表現(xiàn)較高，因應(yīng)低壓、高速訊號(hào)線路方面的保護(hù)效果影響較大，但目前的防護(hù)技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，已改善此類問(wèn)題。
面對(duì)不同設(shè)計(jì)條件 TVS元件也必須找尋最佳方案
多數(shù)的設(shè)計(jì)條件下，ESD應(yīng)力表現(xiàn)要求，仍需視電路設(shè)計(jì)的ESD影響大小而定，對(duì)具不對(duì)稱敏感度之電路節(jié)點(diǎn)的ESD防護(hù)，可能只有基于二極管技術(shù)的TVS元件才能提供較佳的單向保護(hù)。至于高速傳輸應(yīng)用場(chǎng)合，線路要求極低電容，這時(shí)會(huì)在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)選取聚合物元件式TVS，也相對(duì)較其它TVS解決方案更具吸引力，不同元件的保護(hù)能力取舍，必須針對(duì)不同設(shè)計(jì)條件與限制來(lái)進(jìn)行評(píng)估。
而壓敏電阻的元件成本相對(duì)較低，同時(shí)元件本身亦不要求需支持高壓導(dǎo)通，在低成本應(yīng)用方面較具吸引力。但實(shí)際上，壓敏電阻仍存在較高的元件電容，這會(huì)使其應(yīng)用于高頻、高速訊號(hào)線路方面的ESD防護(hù)時(shí)出現(xiàn)限制。同樣的，以二極管為基礎(chǔ)的TVS產(chǎn)品，其鉗位電壓的控制能力較佳，加上超低電容表現(xiàn)的二極管式TVS產(chǎn)品也越來(lái)越多，在高頻、高速應(yīng)用方面也成為目前相當(dāng)受歡迎的設(shè)計(jì)形式。
面對(duì)電子產(chǎn)品小型化、薄型化設(shè)計(jì)趨勢(shì)，ESD防護(hù)元件也必須跟上輕、薄、短、小的設(shè)計(jì)要求，例如，在不影響防護(hù)性能的條件下，目前TVS元件有采厚度僅0.55mm、uQFN封裝形式，亦有針對(duì)易于進(jìn)行SMD作業(yè)或是安裝/維修優(yōu)勢(shì)的0201、0402尺寸元件設(shè)計(jì)，新型ESD防護(hù)元件亦有采取無(wú)引腳SOT(1.0mm x 2.5mm x 0.5mm)封裝、或帶接腳的TSSOP封裝(3.0mm x3.0mm x1.1mm)，有助于裝配和制造端的實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)加快產(chǎn)品上市時(shí)間。
