因為要求高集成度、快速度和小體積，如今的新興電子產(chǎn)品都使用基于先進深次微米制程的芯片。但制程越先進，芯片對ESD耐受度也就越差。當這些電子產(chǎn)品在實際環(huán)境下受到ESD沖擊時，IC內(nèi)部更容易受到損害，因此電子產(chǎn)品中的ESD保護越來越重要。為幫助讀者清晰了解電子系統(tǒng)的ESD保護設(shè)計思路和解決方案，針對觸摸屏和指紋識別人機界面、HDMI等高速接口電路等熱點應(yīng)用的ESD保護策略，現(xiàn)特別邀請到了臺灣晶焱科技股份有限公司研發(fā)部協(xié)理姜信欽博士來分享他的設(shè)計經(jīng)驗。
目前主流的ESD保護元件是什么？
目前主流ESD保護元件分成兩種，一種是傳統(tǒng)以陶瓷材料所制作的變阻器(varistor)，另一種是用半導體材料制作的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。傳統(tǒng)的變阻器的反應(yīng)速度很慢(大于35ns)、箝制電壓高，所以保護效果非常有限，常常會發(fā)生被保護元件受損而變阻器健在的情況。TVS的導通速度快、箝制電壓很低，其保護效果非常好，因此用TVS作為ESD保護元件已成為電子產(chǎn)品設(shè)計的主流趨勢。不過，TVS的單價比變阻器高，目前都是通過TVS Array(陣列)來降低成本。
在IC中集成ESD保護功能與獨立的ESD保護方案，哪一種更有優(yōu)勢？
目前IC講究速度快、集成度高，所以利用深次微米制程來制作IC。深次微米芯片的面積寸土寸金，若要在芯片內(nèi)集成ESD保護元件需要很大的面積，所以不符合成本考慮。此外，在芯片內(nèi)部集成系統(tǒng)級的ESD保護元件在技術(shù)上較難實現(xiàn)，不僅需要適當選擇保護元件種類(如NPN、 PNP等)，更需要芯片廠配合調(diào)整制程參數(shù)才可能實現(xiàn)。因此，若利用到深次微米工藝制作IC，較適合采用獨立的ESD保護元件。
如果不考慮成本和技術(shù)門檻，在IC內(nèi)部集成系統(tǒng)級ESD保護元件，可以使電子產(chǎn)品的設(shè)計更加簡潔，外圍元件數(shù)目更少，并縮短電子產(chǎn)品開發(fā)時間、降低成本。當采用獨立的ESD保護元件時，系統(tǒng)工程師需要在PCB布局布線與TVS種類選擇上進行數(shù)次反復，才能達到設(shè)計要求，這會延長電子產(chǎn)品的開發(fā)時間。
晶焱科技累積了數(shù)十年的ESD保護設(shè)計經(jīng)驗，成功開發(fā)了具有系統(tǒng)級ESD接觸模式8kV保護元件的HDMI開關(guān)。這是全球第一顆將此ESD保護規(guī)格集成到高速傳輸(2.25Gbps)的TMDS線對中。此外，晶焱科技還開發(fā)了具有強大雷擊浪涌保護的RS485收發(fā)器。此收發(fā)器內(nèi)部整合了具有ESD接觸模式30kV保護的TVS，且其雷擊防護能力高達37A，是目前雷擊防護功能最強大的RS485收發(fā)器。
觸摸屏和指紋識別人機界面的ESD保護設(shè)計思路是什么？
觸摸屏及指紋識別系統(tǒng)在設(shè)計上會有三到五條不等的排線經(jīng)由面板到連接器。在系統(tǒng)級ESD測試時，電壓沖擊會經(jīng)由面板周圍耦合到排線上，再由連接器到達控制器。若控制器對電壓沖擊的抑制效果不良，可能導致功能暫時異常甚至永久損壞。因此，在ESD保護設(shè)計上，需在連接器附近加上ESD保護元件，以便及時吸收ESD能量。在PCB布局上，ESD保護元件與控制器的相對位置很重要。排線從連接器出線后，必須有ESD保護元件，后端再布置控制器，這樣控制器可以受到更完整的保護。在選擇ESD保護元件時，TVS的線路電容必須小于3pF，以不影響觸摸靈敏度及指紋識別的靈敏度。
對于USB 3.0、HDMI 1.3、DisplayPort、高速以太網(wǎng)等高速接口，如何平衡信號完整性和ESD保護的可靠性？
為這些高速接口進行ESD保護設(shè)計時，系統(tǒng)工程師需要注意以下四個關(guān)鍵點。第一，采用TVS Array保護元件，這樣才可以用最少的元件數(shù)來縮小PCB的空間及降低PCB的寄生阻抗。第二，ESD保護元件的線路電容要足夠低，比如USB3.0接口要求該電容小于0.3pF，HDMI 1.3接口要求小于0.6pF，HDMI 1.4要求小于0.5pF ，DisplayPort要求小于0.6pF，10/100M LAN也需要用線路電容小于3pF的ESD保護元件。只要保護元件的線路電容足夠低，信號完整性就不會受到影響。第三，ESD保護元件的箝制電壓必須足夠低，才能使系統(tǒng)在ESD事件發(fā)生時還能不受干擾地正常工作。至于要多低的箝制電壓才夠，則需根據(jù)系統(tǒng)的噪聲免疫能力而定。如果難以確定合適的值，可以通過測試結(jié)果來判斷。第四，ESD保護元件在系統(tǒng)上的布局要離接口端越近越好，因為當接口直接或間接受到ESD沖擊時，保護元件能夠就近有效地將ESD能量釋放，而不會影響到內(nèi)部電路。
電源線的ESD保護設(shè)計的關(guān)鍵是什么？
電源線ESD保護的性能標準由IEC 61000-4-2 Level-4定義，ESD測試電壓值必須是接觸放電8kV，氣隙放電15kV，所以選用的ESD保護元件必須要能承受此電壓水平的ESD沖擊而不會被破壞。這是一個基本要求。但真正重要的是，產(chǎn)品的失效標準選用哪一種呢？在過去，Class-C(ESD沖擊后需手動復位)就足夠了，但隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提升要求，現(xiàn)在至少要求選用Class-B(ESD沖擊后系統(tǒng)會自動恢復)，甚至會要求選用Class-A(ESD沖擊后系統(tǒng)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(jù)。箝制電壓越低，則更有機會通過Class-A的ESD測試，因此ESD保護元件的關(guān)鍵性能指針就是低箝制電壓。
保護元件在電源布局設(shè)計分為兩種情況。若電源線有輸出或輸入接口，保護元件應(yīng)該離接口位置盡可能近。若電源并沒有接口(可能通過電源IC輸出)，保護元件應(yīng)該設(shè)計在ESD敏感元件最近的位置。
晶焱科技提供哪些產(chǎn)品方案和技術(shù)支持以幫助客戶的電子產(chǎn)品能經(jīng)濟地滿足 IEC 61000-4-2 Level-4要求？
晶焱科技的TVS產(chǎn)品適用于所有電子產(chǎn)品，目前主要包括個人計算機、監(jiān)視器、手持式電子設(shè)備(如手機、PDA、MP3等)。在個人計算機方面，我們提供USB3.0、 HDMI、LAN、e-SATA、VGA、DVI、相機、指紋、電源線、IEEE1394等I/O接口的ESD保護方案，并提供對應(yīng)的PCB聯(lián)機布局建議。在監(jiān)視器部分，我們提供復合視頻、音頻、S/PDIF、SCART、CATV/天線、DisplayPort、YpbPr、S視頻 (與個人計算機重復部分不再列出)等I/O接口的ESD保護方案，以及系統(tǒng)工程師的設(shè)計支持。在手機應(yīng)用方面，我們提供顯示屏、SIM卡/外置存儲器卡、鍵盤、電池、底部連接器、USB/擴展塢、揚聲器、耳機/麥克風、音頻接口、天線等I/O接口的ESD保護，其中包含了EMI抑制解決方案。
除了以上三種最常見的電子產(chǎn)品外，家電產(chǎn)品(常見的有收音機、排油煙機、耳溫qiang等)也會使用ESD保護元件，以便通過安規(guī)測試等。甚至針對未來家中將安裝的智能電表，晶焱科技都已經(jīng)開發(fā)了相對應(yīng)的ESD保護元件。
晶焱科技的ESD保護產(chǎn)品最大賣點是什么？
晶焱科技的ESD保護元件的賣點就在于其擁有最低箝制電壓，最低的箝制電壓就代表對系統(tǒng)的保護能力最強。晶焱科技是第一個強力介紹并建議系統(tǒng)設(shè)計工程師以ESD箝制電壓的高低為選用標準的公司。許多人喜歡選用能承受高ESD沖擊水平而不會損壞的保護元件，但這就好像是在選用貼身保鏢一樣，如果保鏢孔武有力，但卻不愿為你擋刀子、擋qiang彈，那他對你就毫無保護效果。選用ESD保護元件也是同樣道理。如果選用一個能承受很高的ESD沖擊水平而不會損壞、但無法提供足夠低ESD箝制電壓的保護元件，當ESD沖擊系統(tǒng)時，常見的情況是，ESD保護元件安然無恙，但系統(tǒng)中一些主要IC已受損。