關(guān)于智能本的ESD保護(hù)和防雷擊保護(hù)設(shè)計(jì)指引

智能本是一種新興的能像手機(jī)一樣隨身攜帶和即開(kāi)即用的新型上網(wǎng)本，它在室外使用的幾率相當(dāng)大，因此在ESD保護(hù)和雷擊保護(hù)方面必須進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)。ESD保護(hù)和雷擊保護(hù)盡管同屬過(guò)壓保護(hù)范疇，但它們的設(shè)計(jì)要求和挑戰(zhàn)卻有很大不同。為了給讀者在設(shè)計(jì)思路和解決方案選擇上有更清晰的指引，本刊特別邀請(qǐng)到了***晶炎科技股份有限公司研發(fā)部協(xié)理姜信欽博士與大家分享他的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。姜博士在這方面擁有28發(fā)明專(zhuān)利，是IEEE認(rèn)可的電路保護(hù)專(zhuān)家。

　　***晶炎科技股份有限公司研發(fā)部協(xié)理姜信欽博士

　　ESD保護(hù)和雷擊保護(hù)在設(shè)計(jì)要求上的最大差別是什么？

　　答：雷擊事件所產(chǎn)生的噪聲是屬低頻(事件長(zhǎng)度為20usec以上)但能量卻很大的噪聲，所以雷擊保護(hù)組件的設(shè)計(jì)都著重在能宣泄大能量噪聲，而非其反應(yīng)速度上。ESD(靜電放電)事件所產(chǎn)生的噪聲是屬高頻(事件長(zhǎng)度為60nsec以?xún)?nèi))但能量很小的噪聲，所以ESD保護(hù)組件的設(shè)計(jì)必須著重于其反應(yīng)速度上，唯有反應(yīng)速度在10nsec以?xún)?nèi)的保護(hù)元件才有ESD防護(hù)效果。

　　這兩種過(guò)壓保護(hù)的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是什么？

　　答：雷擊保護(hù)元件的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)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(shè)計(jì)重點(diǎn)。ESD保護(hù)元件的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)則是在設(shè)計(jì)元件的快速反應(yīng)速度與反應(yīng)后的低導(dǎo)通阻抗，唯有如此才能提供低箝制電壓來(lái)保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)作，而此類(lèi)元件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)會(huì)是在元件結(jié)構(gòu)及其所用的工藝上。

　　什么是實(shí)現(xiàn)這兩種過(guò)壓保護(hù)的最可靠或性?xún)r(jià)比最好的元件？具體工程設(shè)計(jì)上要注意什么問(wèn)題？

　　答：雷擊保護(hù)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?yàn)槠涑杀镜陀帜苄勾竽芰康睦讚粼肼暋２贿^(guò)這類(lèi)元件因其反應(yīng)速度很慢(大于35nsec以上)，不可以同時(shí)拿來(lái)當(dāng)ESD保護(hù)元件。ESD保護(hù)元件現(xiàn)在則是以半導(dǎo)體材料與工藝所制作的元件為主，因?yàn)槠浔Ｗo(hù)效果最佳、元件可靠度也最佳、成本也可因設(shè)計(jì)成陣列式而可降得很低。此外，透過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，ESD保護(hù)元件也可以被拿來(lái)當(dāng)較低能量的雷擊保護(hù)元件用(如小于40A的雷擊保護(hù)元件)。

　　要使一臺(tái)上網(wǎng)本或智能本成功地通過(guò)嚴(yán)格的IEC61000-4-2level-4ESD測(cè)試或認(rèn)證，你認(rèn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師應(yīng)采取哪些電子和機(jī)械保護(hù)措施？

　　答：因成本與重量的考量，目前的系統(tǒng)產(chǎn)品都被迫要采用大量的非導(dǎo)電材料來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)與外觀，這造成系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師沒(méi)有太多機(jī)械保護(hù)措施可用來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)完整、安全的靜電放電路徑來(lái)保護(hù)系統(tǒng)。這時(shí)務(wù)必導(dǎo)入半導(dǎo)體式及陣列式的ESD保護(hù)元件，結(jié)合有限的機(jī)械保護(hù)措施，來(lái)設(shè)計(jì)出一個(gè)最低阻抗的靜電放電路徑，供ESD噪聲來(lái)通過(guò)，這就如同是埋了一根避雷針在系統(tǒng)產(chǎn)品中一樣。

　　要最經(jīng)濟(jì)地使USB2。0、USB3。0、HDMI1。3、DisplayPort、VGA和10/100M以太網(wǎng)接口滿(mǎn)足IEC61000-4-2Level-4要求，應(yīng)分別采用哪種類(lèi)型的ESD保護(hù)組件？它們應(yīng)分別滿(mǎn)足的最低關(guān)鍵性能指標(biāo)是多少？

　　答：第一、要采用Array式的ESD保護(hù)組件，這樣才可以用最少的組件數(shù)來(lái)縮小PCB的空間及降低PCB的寄生阻抗；第二、ESD保護(hù)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(hù)元件；第三、ESD保護(hù)元件的箝制電壓必須要夠低，才能使系統(tǒng)在ESD發(fā)生時(shí)還能不受干擾地運(yùn)作，至于要多低的箝制電壓才夠，則要看系統(tǒng)的噪聲免疫能力而定，尚難訂出實(shí)際的值，端看測(cè)試結(jié)果而知夠不夠低。

　　要最經(jīng)濟(jì)地使電源接口滿(mǎn)足IEC61000-4-2Level-4要求，應(yīng)采用什么類(lèi)型的ESD保護(hù)元件？它應(yīng)滿(mǎn)足的最低關(guān)鍵性能指標(biāo)是多少？

　　答：IEC61000-4-2Level-4所定義的是ESD測(cè)試電壓值必須是接觸8KV、空氣放電15KV，所以選用的ESD保護(hù)元件當(dāng)然必須要能承受此級(jí)別的ESD轟擊而不會(huì)受破壞，這是基本要求。但是真正重要的是，產(chǎn)品的失效標(biāo)準(zhǔn)是選用哪一種？在過(guò)去，Class-C(ESD轟擊后，需手動(dòng)復(fù)位)就足夠了，但隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提升要求，現(xiàn)在都至少要求選用Class-B(ESD轟擊后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從異常動(dòng)作恢復(fù)過(guò)來(lái))，更甚者，會(huì)要求選用Class-A(ESD轟擊后，系統(tǒng)不會(huì)觀察到任何異常動(dòng)作)當(dāng)失效標(biāo)準(zhǔn)。這時(shí)，還需以箝制電壓的高低來(lái)當(dāng)作選用ESD保護(hù)元件的依據(jù)，愈低的箝制電壓會(huì)有機(jī)會(huì)過(guò)Class-A的ESD測(cè)試。所以，ESD保護(hù)元件的關(guān)鍵性能指針就是其低箝制電壓。

　　晶焱的ESD和雷擊保護(hù)組件與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，最主要的賣(mài)點(diǎn)是什么？

　　答：晶焱科技的ESD和雷擊保護(hù)元件的賣(mài)點(diǎn)就在于其擁有最低的箝制電壓，最低的箝制電壓就代表對(duì)系統(tǒng)運(yùn)作的保護(hù)能力最強(qiáng)。尤其是ESD的保護(hù)元件，晶焱科技是第一個(gè)強(qiáng)力介紹與建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師以ESD箝制電壓的高低當(dāng)選用標(biāo)準(zhǔn)的。因?yàn)椋性S多人會(huì)迷思在選用能承受愈高ESDlevel轟擊而不會(huì)損壞的保護(hù)元件，這就好像是在選用貼身保鑣一樣，如果保鑣長(zhǎng)得孔武有力，但卻不愿為你擋刀子、擋槍彈，那他對(duì)你就毫無(wú)保護(hù)效果。ESD保護(hù)元件也是同樣道理，一個(gè)能承受很高的ESDlevel轟擊而不會(huì)損壞的保護(hù)元件，若沒(méi)能提供夠低的ESD箝制電壓時(shí)，當(dāng)ESD轟擊系統(tǒng)時(shí)，常見(jiàn)的情況是，ESD保護(hù)元件安然無(wú)恙，但系統(tǒng)的一些主要IC已被打壞。

　　您會(huì)建議系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師如何選用具有低ESD箝制電壓的ESD保護(hù)組件？

　　答：要比較兩個(gè)ESD保護(hù)組件的箝制電壓高低，如果直接利用靜電槍來(lái)轟擊ESD保護(hù)組件，再用示波器來(lái)觀察，是不容易觀察出其高低，因?yàn)槭静ㄆ魃蠒?huì)看到很多高頻噪聲會(huì)把兩個(gè)ESD保護(hù)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(lái)間接量出兩個(gè)ESD保護(hù)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(hù)組件，對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)效果會(huì)較佳。晶焱科技是第一家向系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師介紹此種選用方式，并成功讓許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師透過(guò)此方式一次就選用到適用的ESD保護(hù)組件，節(jié)省下許多系統(tǒng)的ESD設(shè)計(jì)與測(cè)試時(shí)間。