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TVS的主要電性參數及選用技巧2020/06/08

       身處於一個科技的時代,各式各樣的電子產品充斥在我們的生活中,電子產品如智慧型手機、衛星導航機、數位電視等已成為現代生活的一部分,這些電子產品由於頻繁的跟外界接觸,當有靜電荷累積時,一旦導通路徑形成,就有可能遭受靜電放電的破壞(Electrostatic Discharge)。由於靜電的無所不在,越來越多的國際大廠為了自身產品的穩定及維護品牌的價值,在產品出廠前都會要求做國際規範IEC61000-4-2抗靜電能力的測試,確保產品在靜電發生時有足夠的抵抗能力。

 

       針對消費性電子來說,需要特別注意靜電問題不外乎幾個:高速訊號的接口處、電源供應處、以及人體容易接觸的螢幕、耳機孔等等。在這些容易遭受到靜電襲擊的地方,我們可以依據特性的不同,加上不同的靜電防護元件去增加這些脆弱點抵抗靜電能力。只要這些容易發生靜電轟擊的地方被妥善的保護,電子產品的可靠度也就可以大幅提升。在靜電防護元件的歷史上,稽納二極體(Zener Diode)、變阻器(Varistor)、陶瓷氣體放電管(Gas tube)、矽控整流器(Silicon Controlled Rectifier, SCR)都有相當久的使用歷史了,但現在的消費性電子功能強大,USB3.0、HDMI等高速傳輸介面的普及、輕薄短小的電子產品都讓這些防護元件顯得不合時宜。比如說稽納二極體的缺點就是體積大,電容值也大,要放在輕薄的行動裝置上就略顯困難。而要用作高速訊號的主晶片防護電路上;變阻器的缺點就是電容過大且箝制電壓也大,陶瓷氣體放電管雖然元件本身有很強的靜電抵抗能力,但其觸發電壓很大,常常陶瓷氣體放電管還沒有導通,高速訊號的主晶片就先被靜電放電給破壞了。矽控整流器的問題一樣是觸發電壓太大,並且崩潰發生後的維持電壓(Holding Voltage,Vh)太低,當靜電轟擊結束後,過低的維持電壓很容易會造成閂鎖效應(Latch up),主晶片反而因此毀壞。歸納出這些缺點,晶焱科技憑藉著過去在靜電防護工程的經驗,提出最新型的靜電防護元件-暫態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor, TVS),圖1.是一個用TVS來保護電源端的例子,當系統的電源端出現了一個異常的突波電壓(ESD pulse),如果沒有使用TVS時,此突波會直接破壞內部晶片,造成系統當機或無法正常工作。若突波發生時有放上TVS防護元件的話,異常的電源突波會被有效的抑制成一個較低的電壓值(Vclamp),讓系統可以正常的運作。晶焱科技所研發的TVS為半導體製程元件,其特性為電容小、導通速度快,根據電壓應用的不同,我們提供足夠的維持電壓使系統不會產生閂鎖效應,此外根據不同的終端應用,我們也提供了不同的封裝元件尺寸。暫態電壓抑制器(TVS)可說是集各家大成。需要處理靜電放電問題的客戶,不管是為了產品的穩定,或是為了品牌的好口碑,只要依照下列幾個大方向,就可以很輕易的在晶焱科技所提供的產品線中挑選到適合的TVS保護元件,增加產品抵抗ESD轟擊的能力,大幅的提高產品的穩定度。

 

 

 

圖1. TVS保護電源系統的工作原理

圖1. TVS保護電源系統的工作原理

 

       在晶焱科技的網頁上,客戶可以看到如圖2.的頁面,這個頁面所顯示幾個數值,正是我們選用TVS時幾個重要的指標,我們可以依照下列的步驟做選擇:

 

       一、封裝的樣式:對於不同的終端產品比如智慧型手機或是筆電會有不同的封裝選擇,如果是智慧型手機,為符合產品輕薄的需求,TVS元件的尺寸必須夠小,尤其是封裝的厚度必須夠薄,針對單通道的保護元件,我們可以選擇0402(1.0mm x 0.6mm x 0.45mm)或是0201(0.6mm x 0.3mm x 0.3mm)的封裝尺寸,這類型的產品,可以在AZ5-series 中找到。如果終端應用是筆電的話,我們更建議使用陣列式(Array)的封裝,除了降低PCB板的layout面積外,陣列封裝的TVS可以一次保護多組的訊號線,平均一個訊號線所花費的成本會更低,這類型的產品,可以在AZ1-series或者AZC-series中找到。

 

 

圖2. 選用TVS元件的幾個重要參數

圖2. 選用TVS元件的幾個重要參數

 

 

       二、若是使用在高速訊號的靜電防護,由於TVS元件在PCB板上跟高速訊號的主晶片是並聯使用,因此最必須注意的,就是TVS元件的寄生電容(Cin)是否過大而對主晶片的訊號造成影響。除了參考TVS的寄生電容,一些更謹慎的使用者會做眼圖(Eye diagram)的量測,用來判斷高速訊號有沒有失真或是受到寄生電容的影響。一個HDMI2.0所對應的眼圖量測如圖3.所示,經由訊號的疊加我們會得到一個類似眼睛形狀的波形圖,眼圖的開口越大,則表示受到雜訊干擾的越少。用在高速訊號的TVS元件,應該要像圖4.一樣,在上了系統後也不會對眼圖的開口包括振幅和眼寬造成影響。特別的是,一些使用差模的高速訊號對於訊號線在PCB上的跑線也很計較,為了避免一些多餘的走線和轉折,讓高速訊號受到不必要干擾,晶焱科技特別設計了低電容值的TVS搭配特別推出的DFN(Dual Flat No-Lead)封裝,讓使用者如圖5.在做高速訊號的配置時可以直接feed-through過TVS元件、不必有多餘的走線,也不需要重新驗證PCB板的阻抗值,讓解決ESD的問題更加簡單。

 

 

圖3. 未上TVS的HDMI2.0之眼圖

圖3. 未上TVS的HDMI2.0之眼圖

 

圖4. 使用AZ1043-04F的HDMI2.0之眼圖

圖4. 使用AZ1043-04F的HDMI2.0之眼圖

 

 

       三、根據產品的需求,去選擇TVS單、雙向特性及適合的操作電壓(Operation voltage)。TVS元件在電子產品正常工作的情況下應當處於待機的狀態,在待機的情況下,我們會希望TVS的漏電流小於一個微安培(micro Ampere),以免電子產品有多餘的耗電造成電池的續航力不佳。選擇正確的TVS操作電壓很重要,錯誤的操作電壓不僅會造成過多的漏電,嚴重的甚至會影響電子產品的操作。假如要解決手機天線的ESD問題,因手機天線訊號有時會超過10V但有些時候又會在0V以下,這時我們就必須選擇電壓適合且雙向的元件的AZ4-series;但換成要解決USB2.0的靜電問題,最高電壓通常小於5V且最低電壓不會低於0V,這時選用一個5V單向的防護元件例如AZC099-04S即可。

 

圖5. DFN的TVS讓訊號的走線更簡單 

 

 

       四、TVS元件本身必須要有一定的ESD的耐受能力,在保護晶片之前,TVS本身不能先損壞失去了功能,最基本的要求是能承受IEC61000-4-2 Contact mode測試±8kV、Air mode測試±15kV,並且這個TVS元件不會因為多次的ESD轟擊而有變化。除了TVS元件的ESD耐受度,對於要受保護的主晶片,我們更必須考慮TVS元件在靜電轟擊期間的特性。TVS元件在遭受到ESD轟擊期間,最關鍵的特性是箝制電壓(Clamping Voltage),此項特性決定了被保護的主晶片,在受到ESD的轟擊時會遭遇多少的跨壓在自身上,越大的箝制電壓就表示主晶片受到損害的風險越高,透過傳輸線觸波產生器(Transmission Line Pulsing,TLP)系統,我們可以得到如圖6.的TVS靜電轟擊時的電壓-電流特性曲線。以圖6.來說,當系統遭遇到8kV的靜電轟擊時,在使用AZ1043-04F當作保護元件的情況下,被保護的主晶片上大約會有10V的跨壓,只要內部的主晶片的崩潰電壓在10V以上,那麼AZ1043-04F就可以保護這個內部主晶片不受傷害,對比稽納二極體在同樣的測試已經達到數十伏以上的箝制電壓,保護的效果要好的多了。TVS的TLP特性是很重要的,掌握TLP的特性我們就可以用來推估TVS元件在ESD轟擊時的導通特性如箝制電壓或是導通電壓,進而評估此TVS元件的防護效果是否能達到設計的需求,更多藏在TLP特性曲線中的秘密以及需要特別注意的細節,在後面的章節會有更詳細的說明。 

 

 

圖6. AZ1043-04F 的TLP特性圖

圖6. AZ1043-04F 的TLP特性圖

 

 

       靜電放電的問題在早些年還沒有這麼嚴重,但在這二十年間,晶片的元件尺寸縮小了好幾倍,一些電子產品使用的製程尺寸一路從微米等級一路微縮到現今的奈米等級,半導體元件的閘極厚度也隨著製程尺寸不斷縮減,造成了半導體元件對靜電防護能力的下降,靜電放電很容易就對產品造成影響。當一個正常操作的電子產品遭遇到靜電放電的情況時,輕微者產品只發生不穩定的現象,簡單的重開機就可以排除問題;若是碰到情況嚴重的,內部主晶片抗靜電的能力又不夠,就有可能發生嚴重的損害而需要回原廠做維修或更換的動作。消費者在挑選電子產品時,除了品牌、價格、效能等等因素之外,產品的品質與妥善率也是很重要的一個因素,哪怕是再大的品牌、再好的規格,如果產品三不五時就要回原廠維修做更換,那這個產品很快就會被消費者放棄了,更嚴重的影響是,當不滿意的消費者越來的越多,這種不好的經驗一直散播出去,就可能讓原本要購買的潛在客戶動搖,影響品牌在客戶心目中的形象。在過去提昇電子產品靜電防護能力的方法,一是增加主晶片本身的抗靜電能力,二是在機構設計上作改善。但是隨著先進製程的使用,在主晶片上增加抗靜電能力的成本是越來越高。而使用機構的設計作改善,因為是一件一件的去處理問題,每一次遇到ESD的問題都有不同的解法,花費的時間冗長且沒辦法預估修正後的結果,沒解決問題的話還會擔誤到產品推向市場的時間。因此,晶焱科技的想法是要打破以往解決ESD的老路,我們希望從電路的設計角度去解決此ESD的問題,根據第二節的幾個要點,我們可以挑選出最適合的元件,並且根據TVS的特性去預估改善的幅度。晶焱科技提供的TVS防護元件物美價廉,在容易遭受靜電轟擊的接口加入TVS元件對於產品總體的成本增加很少,卻可以大幅增加了產品的可靠度,減少因產品退換貨產生的物流成本及人力需求。因此,對於追求公司成長,希望能帶給客戶美好使用經驗的公司,我們非常建議將TVS納入產品佈局的一部分。

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