關于智能本的ESD保護和防雷擊保護設計指引

智能本是一種新興的能像手機一樣隨身攜帶和即開即用的新型上網本，它在室外使用的幾率相當大，因此在ESD保護和雷擊保護方面必須進行特別的設計。ESD保護和雷擊保護盡管同屬過壓保護范疇，但它們的設計要求和挑戰卻有很大不同。為了給讀者在設計思路和解決方案選擇上有更清晰的指引，本刊特別邀請到了***晶炎科技股份有限公司研發部協理姜信欽博士與大家分享他的設計經驗。姜博士在這方面擁有28發明專利，是IEEE認可的電路保護專家。

　　***晶炎科技股份有限公司研發部協理姜信欽博士

　　ESD保護和雷擊保護在設計要求上的最大差別是什么？

　　答：雷擊事件所產生的噪聲是屬低頻(事件長度為20usec以上)但能量卻很大的噪聲，所以雷擊保護組件的設計都著重在能宣泄大能量噪聲，而非其反應速度上。ESD(靜電放電)事件所產生的噪聲是屬高頻(事件長度為60nsec以內)但能量很小的噪聲，所以ESD保護組件的設計必須著重于其反應速度上，唯有反應速度在10nsec以內的保護元件才有ESD防護效果。

　　這兩種過壓保護的主要設計挑戰是什么？

　　答：雷擊保護元件的設計挑戰在于要在有限的元件體積下，能宣泄最大能量的雷擊噪聲，元件材料的選擇是設計重點。ESD保護元件的設計挑戰則是在設計元件的快速反應速度與反應后的低導通阻抗，唯有如此才能提供低箝制電壓來保護系統的正常運作，而此類元件的設計重點會是在元件結構及其所用的工藝上。

　　什么是實現這兩種過壓保護的最可靠或性價比最好的元件？具體工程設計上要注意什么問題？

　　答：雷擊保護元件目前還是以陶瓷材料所制作的元件(如壓敏電阻)為主，因為其成本低又能宣泄大能量的雷擊噪聲。不過這類元件因其反應速度很慢(大于35nsec以上)，不可以同時拿來當ESD保護元件。ESD保護元件現在則是以半導體材料與工藝所制作的元件為主，因為其保護效果最佳、元件可靠度也最佳、成本也可因設計成陣列式而可降得很低。此外，透過適當的設計，ESD保護元件也可以被拿來當較低能量的雷擊保護元件用(如小于40A的雷擊保護元件)。

　　要使一臺上網本或智能本成功地通過嚴格的IEC61000-4-2level-4ESD測試或認證，你認為系統設計工程師應采取哪些電子和機械保護措施？

　　答：因成本與重量的考量，目前的系統產品都被迫要采用大量的非導電材料來設計機構與外觀，這造成系統設計工程師沒有太多機械保護措施可用來設計一個完整、安全的靜電放電路徑來保護系統。這時務必導入半導體式及陣列式的ESD保護元件，結合有限的機械保護措施，來設計出一個最低阻抗的靜電放電路徑，供ESD噪聲來通過，這就如同是埋了一根避雷針在系統產品中一樣。

　　要最經濟地使USB2。0、USB3。0、HDMI1。3、DisplayPort、VGA和10/100M以太網接口滿足IEC61000-4-2Level-4要求，應分別采用哪種類型的ESD保護組件？它們應分別滿足的最低關鍵性能指標是多少？

　　答：第一、要采用Array式的ESD保護組件，這樣才可以用最少的組件數來縮小PCB的空間及降低PCB的寄生阻抗；第二、ESD保護組件的線路電容要夠低，如USB2。0需要用小于3pF，USB3。0需要用小于0。3pF，HDMI1。3需要用小于0。6pF，DisplayPort也需要用小于0。6pF，VGA需要用小于2pF，10/100MLAN需要用小于3pF的ESD保護元件；第三、ESD保護元件的箝制電壓必須要夠低，才能使系統在ESD發生時還能不受干擾地運作，至于要多低的箝制電壓才夠，則要看系統的噪聲免疫能力而定，尚難訂出實際的值，端看測試結果而知夠不夠低。

　　要最經濟地使電源接口滿足IEC61000-4-2Level-4要求，應采用什么類型的ESD保護元件？它應滿足的最低關鍵性能指標是多少？

　　答：IEC61000-4-2Level-4所定義的是ESD測試電壓值必須是接觸8KV、空氣放電15KV，所以選用的ESD保護元件當然必須要能承受此級別的ESD轟擊而不會受破壞，這是基本要求。但是真正重要的是，產品的失效標準是選用哪一種？在過去，Class-C(ESD轟擊后，需手動復位)就足夠了，但隨著產品質量的提升要求，現在都至少要求選用Class-B(ESD轟擊后，系統會自動從異常動作恢復過來)，更甚者，會要求選用Class-A(ESD轟擊后，系統不會觀察到任何異常動作)當失效標準。這時，還需以箝制電壓的高低來當作選用ESD保護元件的依據，愈低的箝制電壓會有機會過Class-A的ESD測試。所以，ESD保護元件的關鍵性能指針就是其低箝制電壓。

　　晶焱的ESD和雷擊保護組件與競爭對手相比，最主要的賣點是什么？

　　答：晶焱科技的ESD和雷擊保護元件的賣點就在于其擁有最低的箝制電壓，最低的箝制電壓就代表對系統運作的保護能力最強。尤其是ESD的保護元件，晶焱科技是第一個強力介紹與建議系統設計工程師以ESD箝制電壓的高低當選用標準的。因為，有許多人會迷思在選用能承受愈高ESDlevel轟擊而不會損壞的保護元件，這就好像是在選用貼身保鑣一樣，如果保鑣長得孔武有力，但卻不愿為你擋刀子、擋槍彈，那他對你就毫無保護效果。ESD保護元件也是同樣道理，一個能承受很高的ESDlevel轟擊而不會損壞的保護元件，若沒能提供夠低的ESD箝制電壓時，當ESD轟擊系統時，常見的情況是，ESD保護元件安然無恙，但系統的一些主要IC已被打壞。

　　您會建議系統設計工程師如何選用具有低ESD箝制電壓的ESD保護組件？

　　答：要比較兩個ESD保護組件的箝制電壓高低，如果直接利用靜電槍來轟擊ESD保護組件，再用示波器來觀察，是不容易觀察出其高低，因為示波器上會看到很多高頻噪聲會把兩個ESD保護組件的電壓變化掩蓋住。因此正確的比較方式是利用TransmissionLinePulsing(TLP)System來間接量出兩個ESD保護組件箝制電壓高低。利用TLP量到擁有較低箝制電壓的ESD保護組件，對系統的保護效果會較佳。晶焱科技是第一家向系統設計工程師介紹此種選用方式，并成功讓許多系統設計工程師透過此方式一次就選用到適用的ESD保護組件，節省下許多系統的ESD設計與測試時間。