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高速傳輸訊號埠的ESD防護2012/04/25

從analog到digital,從DTV到HDTV,從2D到3D,隨著資料量不斷的提升,傳輸與處理訊號方式亦不斷更新,讓我們得以享受高畫質、高品質服務。但隨著資料內容的不斷增加,更高速傳輸的需求亦與日俱增。以TV為例,視訊解析度由VGA 640×480增加至HDMI 1920×1080P,且color depth仍有不斷往上提升趨勢。此外還需要包括Audio資訊並達成資料保密的功能,要使上述所有的資料內容正確且有效率的傳輸到TV上,最理想的解決辦法就是提高訊號埠的傳輸速率。但每一種傳輸方式都有速率上限的問題,因此各種新解決辦法也就不斷的被研究及發表。以上述TV的應用介面來說,便有VGA、YPbPr、S-Vidio、DVI、HDMI、DiiVa、DisplayPort…等等。

 
傳輸的介面主要工作是從A設備傳資料給B設備,或在A、B設備間互相傳輸資料,這樣的資訊交換過程通常會透過一個CTS (compliance test standard)來進行規範,以確認訊號的品質。
 
在傳輸資料的過程中,除了傳送正確無誤的資料外,另一個問題就是connector外露時,需耐受外界Noise及Transient pulse的所造成的干擾及影響。一般來說,上述的影響會被歸類為EMC的問題,隨著傳輸速率增高EMC的挑戰亦越加嚴苛。其中ESD問題在近年來受到各界的關注便是最明顯的例子,由於半導體製程的演進與使用者習慣的改變造成產品非常容易被ESD破壞,因此在產品內部利用TVS (Transient Voltage Suppressor)元件來提升防護能力是最有效且常見的解決辦法。
 
雖然在所有的傳輸介面上ESD問題是相當類似的,但為符合多變的傳輸規格及不同的傳輸速率,在評估ESD對策元件的可用型及可靠度時,下列重點是必須注意的:

1.傳輸速度越高,TVS元件的電容必須越低。以HDMI而言,如晶焱科技的AZ1045系列產品電容僅約為0.5pF,如此才可確保信號完整性。
2.在ESD能量衝擊的瞬間,能具有最快的導通速度(< 5ns)及最低的導通電
3.多次ESD衝擊之後,ESD保護元件的特性必須不能退化。
4.在高濕高溫的惡劣環境下,ESD保護元件依然可發揮功用。
5.ESD耐受度為system level 8kV,而不是Component Level的HBM 8kV。
6.Package具有多樣性,以符合各種產品及PCB的需求。

 
所有消費性電子產品皆需通過IEC 61000-4-2的靜電放電測試要求後方可販售。TVS是專門設計用於吸收ESD能量並保護系統免於遭受ESD損害的產品,其工作原理如下面附圖一所示,TVS在線路板上與被內部線路並聯,在ESD瞬間高電流的衝擊下,TVS能即時導通並提供瞬時電流超低電阻通路,如此ESD的瞬時電流與能量便可受TVS所引開。但在考量TVS元件是否能夠對被內部線路提供有效地保護功能時,除了須考慮TVS在ESD衝擊下的導通速度是否夠快,更須要考慮TVS導通後箝制電壓 (Clamping Voltage) 是否夠低,以避免被內部線路受到ESD的衝擊而造成訊號的干擾後再引發系統重置、當機甚至損傷。因此,在ESD衝擊下,TVS導通後Clamping Voltage的高低便是選擇保護元件效能最重要的指標。
 
在各項高速傳輸介面需求下,晶焱科技TVS元件的Clamping Voltage為業界最低。目前更致力於研發各項有效防護內部線路免於遭受ESD或Surge破壞的產品,更已成功推出符合USB 3.0介面的AZ1065系列TVS產品,其電容僅為0.27pF,在通過許多產品的認證後,已為業界最受信賴的防護元件選擇。目前更朝向HDMI 1.4的ESD解決方案努力不懈,以研發出最有效的TVS及HDMI Switch產品。
 
 
附圖一:TVS箝制ESD 8kV電流路徑圖。
 

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