ESD 保護(hù)元件─ 未來不可避免的設(shè)計(jì)任務(wù)

隨著晶片功能高度整合與電晶體密度的提升，晶片本身對(duì)靜電耐受度逐步降低。現(xiàn)在晶片對(duì)于靜電的耐受程度，有些僅有約1kV~2kV的”元件等級(jí)”，此程度的耐受度僅可防止晶片于工廠內(nèi)生產(chǎn)或產(chǎn)品整機(jī)制作中遭受靜電破壞；在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，多數(shù)設(shè)計(jì)者會(huì)參照”系統(tǒng)等級(jí)”的IEC61000-4-2靜電放電波形，來模擬產(chǎn)品在終端遇到的靜電放電；此外，若產(chǎn)品使用于不穩(wěn)定的環(huán)境中，如室外或電力設(shè)備不完善的地區(qū)，有些設(shè)計(jì)者會(huì)再額外參考IEC61000-4-5來模擬雷擊耦合或帶電插拔等持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的突波。

圖 1. ESD測(cè)試方式與模擬情況

換言之，在測(cè)試要求不變甚至更嚴(yán)苛的情況下，晶片本身卻逐漸脆弱，因此如何在不影響原有功能下，設(shè)計(jì)有效且經(jīng)濟(jì)的保護(hù)方案來提升系統(tǒng)對(duì)靜電的耐受度就逐漸受到重視。

以下介紹靜電防護(hù)方案從過去到現(xiàn)在的演變，及如何有效地挑選合適的靜電保護(hù)元件。

Varistor ─ 靜電防護(hù)的早期手段

以前的晶片并不像現(xiàn)在將許多功能整合在一起，相比之下，它制程線寬大，電晶體密度較低，且有足夠的空間設(shè)計(jì)防護(hù)電路，因此有著更強(qiáng)大的自我保護(hù)能力；此外，較大的產(chǎn)品體積拉開了靜電打入敏感線路的距離，加上以前產(chǎn)品多使用金屬外殼，而金屬外殼有效地宣泄靜電能量，造就以前設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對(duì)靜電耐受本身就高，因此設(shè)計(jì)者在對(duì)外接口或晶片周圍添加Varistor后，就可以有效的避免產(chǎn)品遭受靜電破壞。

Varistor是一個(gè)透過材料特性，在面對(duì)過電壓時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)通路徑的保護(hù)元件；然而，Varistor本身并不是一個(gè)理想的靜電保護(hù)元件，因?yàn)椴牧咸匦詫?dǎo)致它有老化現(xiàn)象，加上較高的啟動(dòng)電壓與鉗制電壓，使得Varistor即使成功的啟動(dòng)，它所提供的保護(hù)能力卻并不一定符合系統(tǒng)需求；但在產(chǎn)品本身良好放電路徑與放電距離晶片較大的情況下，Varistor的保護(hù)能力在過去仍然被設(shè)計(jì)者采納。

圖 2. TLP圖 - 了解TVS在不同條件下的鉗制電壓

表 1. Varistor與TVS的比較

晶焱科技與靜電放電保護(hù)

晶焱科技有著20年以上設(shè)計(jì)ESD/EOS保護(hù)方案的經(jīng)驗(yàn)，我們持續(xù)地追蹤市場(chǎng)最新應(yīng)用來提前布局規(guī)劃產(chǎn)品，讓新開發(fā)的TVS可以即時(shí)的滿足客人的需求。目前最新傳輸介面如USB4、HDMI 2.1與DP 2.0等等，都已經(jīng)有著完善的靜電保護(hù)方案；此外，車用通訊界面如CAN Bus與LIN Bus，也有著相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品進(jìn)行靜電保護(hù)。

一直以來市場(chǎng)上都是需要經(jīng)濟(jì)、有效且實(shí)用的方案，晶焱科技也因此推出了一系列整合式產(chǎn)品來讓客戶既減少了元件使用數(shù)量，也減少TVS在PCB上的使用空間。

應(yīng)用與推薦用料

1. USB4

USB 4采用的Type C接口中，TX/RX推薦使用AZ5B9S-01F，此TVS有極低電容與極低鉗制電壓，D+/D-與CC/SBU則可以透過AZ5B85-01B這顆小封裝5V的TVS來保護(hù)。

2. Automotive

車用TVS需要通過AEC-Q101的認(rèn)證，以下的推薦用料均有通過AEC-Q101認(rèn)證。 AZ9424-02S是一個(gè)可以用于保護(hù)CAN_H與CAN_L的雙通道保護(hù)元件，而AZ9824-01L則可以用于保護(hù)LIN Bus的TVS。

車輛設(shè)計(jì)上除了CAN Bus與LIN Bus，一些常用的娛樂設(shè)備如USB 3.0，則推薦使用AZ9143-04F，此4通道的TVS，可以一次保護(hù)USB 3.0的TX/RX。

3. HDMI 2.1

HDMI 2.1里面的高速訊號(hào)線TMDS/FRL通常會(huì)被Pull High至3.3V。此外，因?yàn)镠DMI 2.1的單通道速度高達(dá)12Gbps，因此需要極低的電容以避免TVS干擾到HDMI的訊號(hào)以及阻抗測(cè)試。AZ1123-04F是一個(gè)3.3V的低電容與低鉗制電壓的TVS，除此之外，因應(yīng)HDMI的EOS測(cè)試規(guī)定逐漸嚴(yán)格，AZ1123-04F高達(dá)6.5A的Peak Pulse Current可以滿足越來越嚴(yán)格的測(cè)試要求。 HDMI剩余的控制線訊號(hào)可以使用一顆AZC199-04S來保護(hù)，此保護(hù)元件特別的地方在于，Vcc有內(nèi)含Back Driver Diode在內(nèi)，因此在線路設(shè)計(jì)上可以減少一顆Back Driver Diode的使用。

4. 10G LAN

網(wǎng)路設(shè)備因?yàn)橛邪惭b戶外的可能性，所以會(huì)以較嚴(yán)格的IEC61000-4-5或GR 1089來做測(cè)試，而Peak Pulse Current則是TVS能否協(xié)助通過這些測(cè)試的其中一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。 AZ5B0S-01F可以滿足在10G LAN高速環(huán)境下還需要高Peak Pulse Current的需求，AZ5B0S-01F在只有0.18pF寄生電容的設(shè)計(jì)下，還擁有高達(dá)7A的耐受度，是一個(gè)十分適合10G LAN線對(duì)線的保護(hù)方案。

如何正確挑選最適合的TVS？

1. 操作電壓

在系統(tǒng)正常運(yùn)作下，TVS是不該啟動(dòng)的，因此操作電壓即是在告知設(shè)計(jì)者該TVS可以應(yīng)用的電壓情況。在符合TVS操作電壓的環(huán)境下，TVS僅有nA等級(jí)的漏電流；而一旦TVS因ESD或EOS事件啟動(dòng)后，TVS會(huì)將大部分能量(電流)宣泄至地，并在該ESD或EOS事件結(jié)束后回復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。

2. 鉗制電壓

此參數(shù)適用于判斷一個(gè)TVS的保護(hù)能力。當(dāng)一個(gè)靜電放電情形出現(xiàn)，TVS會(huì)迅速地啟動(dòng)并將電壓鎖在鉗制電壓來保護(hù)后方的晶片；若此時(shí)的鉗制電壓過高，則后方晶片就會(huì)面對(duì)此過高的電壓，那整個(gè)系統(tǒng)仍然有機(jī)會(huì)被干擾甚至被破壞，因此鉗制電壓應(yīng)越低越好。而鉗制電壓的數(shù)據(jù)來自于TLP圖形，在比較兩個(gè)不同的TVS鉗制電壓時(shí)，可以透過TLP圖來比較，在同樣條件下，較低鉗制電壓的TVS預(yù)期會(huì)有比較好的靜電放電測(cè)試結(jié)果。

3. 電容

電容是TVS是否影響訊號(hào)完整度以及阻抗測(cè)試的關(guān)鍵，有些晶片廠甚至?xí)?guī)定在某些傳輸介面上，整條路徑的電容值需低于固定數(shù)值才能有效通訊，通常越低的TVS電容值，在設(shè)計(jì)上會(huì)有更大的彈性，因此在高速應(yīng)用中都會(huì)建議使用低電容的TVS。

4. Ipp (Peak Pulse Current)

此參數(shù)是用來評(píng)斷該TVS在面對(duì)更高能量如EOS的耐受程度，若產(chǎn)品測(cè)試使用IEC61000-4-5波行來測(cè)試，Ipp則為在挑選中的重要參數(shù)。不過該參數(shù)有時(shí)候會(huì)以Peak Pulse Power來表示，這是Ipp與鉗制電壓相乘的結(jié)果，在換算時(shí)除掉鉗制電壓便可約略換算該TVS的Ipp。

5. 封裝

雖然單通道TVS有著較高的彈性設(shè)計(jì)，但也因此占據(jù)掉較多的PCB空間；相比于單通道，多通道設(shè)計(jì)在PCB空間占據(jù)上就明顯節(jié)省許多，尤其是高速訊號(hào)線是多對(duì)差分訊號(hào)，此時(shí)使用多通道便可以有效地節(jié)省PCB面積與降低使用元件個(gè)數(shù)。

圖3. TVS挑選步驟

結(jié)論

晶片ESD耐受的降低已經(jīng)是一個(gè)無法被忽視且棘手的問題，從設(shè)計(jì)者逐漸舍棄Varistor改使用TVS便可以看出，產(chǎn)品的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)已經(jīng)被認(rèn)為是必要且需要逐步加強(qiáng)的。晶焱科技持續(xù)在ESD領(lǐng)域的研究，隨時(shí)觀察市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，讓我們可以在不同靜電防護(hù)需求時(shí)，提供最佳且最新的ESD保護(hù)方案。

審核編輯 黃昊宇