ESD 保護元件─ 未來不可避免的設計任務

隨著晶片功能高度整合與電晶體密度的提升，晶片本身對靜電耐受度逐步降低。現在晶片對于靜電的耐受程度，有些僅有約1kV~2kV的”元件等級”，此程度的耐受度僅可防止晶片于工廠內生產或產品整機制作中遭受靜電破壞；在產品設計時，多數設計者會參照”系統等級”的IEC61000-4-2靜電放電波形，來模擬產品在終端遇到的靜電放電；此外，若產品使用于不穩定的環境中，如室外或電力設備不完善的地區，有些設計者會再額外參考IEC61000-4-5來模擬雷擊耦合或帶電插拔等持續時間更長的突波。

圖 1. ESD測試方式與模擬情況

換言之，在測試要求不變甚至更嚴苛的情況下，晶片本身卻逐漸脆弱，因此如何在不影響原有功能下，設計有效且經濟的保護方案來提升系統對靜電的耐受度就逐漸受到重視。

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

Varistor ─ 靜電防護的早期手段

以前的晶片并不像現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，且有足夠的空間設計防護電路，因此有著更強大的自我保護能力；此外，較大的產品體積拉開了靜電打入敏感線路的距離，加上以前產品多使用金屬外殼，而金屬外殼有效地宣泄靜電能量，造就以前設計的產品對靜電耐受本身就高，因此設計者在對外接口或晶片周圍添加Varistor后，就可以有效的避免產品遭受靜電破壞。

Varistor是一個透過材料特性，在面對過電壓時產生導通路徑的保護元件；然而，Varistor本身并不是一個理想的靜電保護元件，因為材料特性導致它有老化現象，加上較高的啟動電壓與鉗制電壓，使得Varistor即使成功的啟動，它所提供的保護能力卻并不一定符合系統需求；但在產品本身良好放電路徑與放電距離晶片較大的情況下，Varistor的保護能力在過去仍然被設計者采納。

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

晶焱科技有著20年以上設計ESD/EOS保護方案的經驗，我們持續地追蹤市場最新應用來提前布局規劃產品，讓新開發的TVS可以即時的滿足客人的需求。目前最新傳輸介面如USB4、HDMI 2.1與DP 2.0等等，都已經有著完善的靜電保護方案；此外，車用通訊界面如CAN Bus與LIN Bus，也有著相對應的產品進行靜電保護。

一直以來市場上都是需要經濟、有效且實用的方案，晶焱科技也因此推出了一系列整合式產品來讓客戶既減少了元件使用數量，也減少TVS在PCB上的使用空間。

應用與推薦用料

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。

2. Automotive

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

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

3. HDMI 2.1

HDMI 2.1里面的高速訊號線TMDS/FRL通常會被Pull High至3.3V。此外，因為HDMI 2.1的單通道速度高達12Gbps，因此需要極低的電容以避免TVS干擾到HDMI的訊號以及阻抗測試。AZ1123-04F是一個3.3V的低電容與低鉗制電壓的TVS，除此之外，因應HDMI的EOS測試規定逐漸嚴格，AZ1123-04F高達6.5A的Peak Pulse Current可以滿足越來越嚴格的測試要求。 HDMI剩余的控制線訊號可以使用一顆AZC199-04S來保護，此保護元件特別的地方在于，Vcc有內含Back Driver Diode在內，因此在線路設計上可以減少一顆Back Driver Diode的使用。

4. 10G LAN

網路設備因為有安裝戶外的可能性，所以會以較嚴格的IEC61000-4-5或GR 1089來做測試，而Peak Pulse Current則是TVS能否協助通過這些測試的其中一項關鍵參數。 AZ5B0S-01F可以滿足在10G LAN高速環境下還需要高Peak Pulse Current的需求，AZ5B0S-01F在只有0.18pF寄生電容的設計下，還擁有高達7A的耐受度，是一個十分適合10G LAN線對線的保護方案。

如何正確挑選最適合的TVS？

1. 操作電壓

在系統正常運作下，TVS是不該啟動的，因此操作電壓即是在告知設計者該TVS可以應用的電壓情況。在符合TVS操作電壓的環境下，TVS僅有nA等級的漏電流；而一旦TVS因ESD或EOS事件啟動后，TVS會將大部分能量(電流)宣泄至地，并在該ESD或EOS事件結束后回復到關閉狀態。

2. 鉗制電壓

此參數適用于判斷一個TVS的保護能力。當一個靜電放電情形出現，TVS會迅速地啟動并將電壓鎖在鉗制電壓來保護后方的晶片；若此時的鉗制電壓過高，則后方晶片就會面對此過高的電壓，那整個系統仍然有機會被干擾甚至被破壞，因此鉗制電壓應越低越好。而鉗制電壓的數據來自于TLP圖形，在比較兩個不同的TVS鉗制電壓時，可以透過TLP圖來比較，在同樣條件下，較低鉗制電壓的TVS預期會有比較好的靜電放電測試結果。

3. 電容

電容是TVS是否影響訊號完整度以及阻抗測試的關鍵，有些晶片廠甚至會規定在某些傳輸介面上，整條路徑的電容值需低于固定數值才能有效通訊，通常越低的TVS電容值，在設計上會有更大的彈性，因此在高速應用中都會建議使用低電容的TVS。

4. Ipp (Peak Pulse Current)

此參數是用來評斷該TVS在面對更高能量如EOS的耐受程度，若產品測試使用IEC61000-4-5波行來測試，Ipp則為在挑選中的重要參數。不過該參數有時候會以Peak Pulse Power來表示，這是Ipp與鉗制電壓相乘的結果，在換算時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有著較高的彈性設計，但也因此占據掉較多的PCB空間；相比于單通道，多通道設計在PCB空間占據上就明顯節省許多，尤其是高速訊號線是多對差分訊號，此時使用多通道便可以有效地節省PCB面積與降低使用元件個數。

圖3. TVS挑選步驟

結論

晶片ESD耐受的降低已經是一個無法被忽視且棘手的問題，從設計者逐漸舍棄Varistor改使用TVS便可以看出，產品的ESD保護設計已經被認為是必要且需要逐步加強的。晶焱科技持續在ESD領域的研究，隨時觀察市場實際應用，讓我們可以在不同靜電防護需求時，提供最佳且最新的ESD保護方案。