静电防护方案的演变之路 静电保护元件的应用与选择

ESD 保护元件─ 未来不可避免的设计任务

随着晶片功能高度整合与电晶体密度的提升，晶片本身对静电耐受度逐步降低。现在晶片对于静电的耐受程度，有些仅有约1kV~2kV的”元件等级”，此程度的耐受度仅可防止晶片于工厂内生产或产品整机制作中遭受静电破坏；在产品设计时，多数设计者会参照”系统等级”的IEC61000-4-2静电放电波形，来模拟产品在终端遇到的静电放电；此外，若产品使用于不稳定的环境中，如室外或电力设备不完善的地区，有些设计者会再额外参考IEC61000-4-5来模拟雷击耦合或带电插拔等持续时间更长的突波。

图 1. ESD测试方式与模拟情况

换言之，在测试要求不变甚至更严苛的情况下，晶片本身却逐渐脆弱，因此如何在不影响原有功能下，设计有效且经济的保护方案来提升系统对静电的耐受度就逐渐受到重视。

以下介绍静电防护方案从过去到现在的演变，及如何有效地挑选合适的静电保护元件。

Varistor ─ 静电防护的早期手段

以前的晶片并不像现在将许多功能整合在一起，相比之下，它制程线宽大，电晶体密度较低，且有足够的空间设计防护电路，因此有着更强大的自我保护能力；此外，较大的产品体积拉开了静电打入敏感线路的距离，加上以前产品多使用金属外壳，而金属外壳有效地宣泄静电能量，造就以前设计的产品对静电耐受本身就高，因此设计者在对外接口或晶片周围添加Varistor后，就可以有效的避免产品遭受静电破坏。

Varistor是一个透过材料特性，在面对过电压时产生导通路径的保护元件；然而，Varistor本身并不是一个理想的静电保护元件，因为材料特性导致它有老化现象，加上较高的启动电压与钳制电压，使得Varistor即使成功的启动，它所提供的保护能力却并不一定符合系统需求；但在产品本身良好放电路径与放电距离晶片较大的情况下，Varistor的保护能力在过去仍然被设计者采纳。

图 2. TLP图 - 了解TVS在不同条件下的钳制电压

	Varistor	TVS	Comments
Trigger Voltage	High	Low	Turn on condition
Clamping Voltage	High	Low	Portection Ability
Aging Issue	Yes	No	Stability
Package	Single channel	Array	Cost and Design

表 1. Varistor与TVS的比较

晶焱科技与静电放电保护

晶焱科技有着20年以上设计ESD/EOS保护方案的经验，我们持续地追踪市场最新应用来提前布局规划产品，让新开发的TVS可以即时的满足客人的需求。目前最新传输介面如USB4、HDMI 2.1与DP 2.0等等，都已经有着完善的静电保护方案；此外，车用通讯界面如CAN Bus与LIN Bus，也有着相对应的产品进行静电保护。

一直以来市场上都是需要经济、有效且实用的方案，晶焱科技也因此推出了一系列整合式产品来让客户既减少了元件使用数量，也减少TVS在PCB上的使用空间。

应用与推荐用料

1. USB4

USB 4采用的Type C接口中，TX/RX推荐使用AZ5B9S-01F，此TVS有极低电容与极低钳制电压，D+/D-与CC/SBU则可以透过AZ5B85-01B这颗小封装5V的TVS来保护。

2. Automotive

车用TVS需要通过AEC-Q101的认证，以下的推荐用料均有通过AEC-Q101认证。 AZ9424-02S是一个可以用于保护CAN_H与CAN_L的双通道保护元件，而AZ9824-01L则可以用于保护LIN Bus的TVS。

车辆设计上除了CAN Bus与LIN Bus，一些常用的娱乐设备如USB 3.0，则推荐使用AZ9143-04F，此4通道的TVS，可以一次保护USB 3.0的TX/RX。

3. HDMI 2.1

HDMI 2.1里面的高速讯号线TMDS/FRL通常会被Pull High至3.3V。此外，因为HDMI 2.1的单通道速度高达12Gbps，因此需要极低的电容以避免TVS干扰到HDMI的讯号以及阻抗测试。AZ1123-04F是一个3.3V的低电容与低钳制电压的TVS，除此之外，因应HDMI的EOS测试规定逐渐严格，AZ1123-04F高达6.5A的Peak Pulse Current可以满足越来越严格的测试要求。 HDMI剩余的控制线讯号可以使用一颗AZC199-04S来保护，此保护元件特别的地方在于，Vcc有内含Back Driver Diode在内，因此在线路设计上可以减少一颗Back Driver Diode的使用。

4. 10G LAN

网路设备因为有安装户外的可能性，所以会以较严格的IEC61000-4-5或GR 1089来做测试，而Peak Pulse Current则是TVS能否协助通过这些测试的其中一项关键参数。 AZ5B0S-01F可以满足在10G LAN高速环境下还需要高Peak Pulse Current的需求，AZ5B0S-01F在只有0.18pF寄生电容的设计下，还拥有高达7A的耐受度，是一个十分适合10G LAN线对线的保护方案。

如何正确挑选最适合的TVS？

1. 操作电压

在系统正常运作下，TVS是不该启动的，因此操作电压即是在告知设计者该TVS可以应用的电压情况。在符合TVS操作电压的环境下，TVS仅有nA等级的漏电流；而一旦TVS因ESD或EOS事件启动后，TVS会将大部分能量(电流)宣泄至地，并在该ESD或EOS事件结束后回复到关闭状态。

2. 钳制电压

此参数适用于判断一个TVS的保护能力。当一个静电放电情形出现，TVS会迅速地启动并将电压锁在钳制电压来保护后方的晶片；若此时的钳制电压过高，则后方晶片就会面对此过高的电压，那整个系统仍然有机会被干扰甚至被破坏，因此钳制电压应越低越好。而钳制电压的数据来自于TLP图形，在比较两个不同的TVS钳制电压时，可以透过TLP图来比较，在同样条件下，较低钳制电压的TVS预期会有比较好的静电放电测试结果。

3. 电容

电容是TVS是否影响讯号完整度以及阻抗测试的关键，有些晶片厂甚至会规定在某些传输介面上，整条路径的电容值需低于固定数值才能有效通讯，通常越低的TVS电容值，在设计上会有更大的弹性，因此在高速应用中都会建议使用低电容的TVS。

4. Ipp (Peak Pulse Current)

此参数是用来评断该TVS在面对更高能量如EOS的耐受程度，若产品测试使用IEC61000-4-5波行来测试，Ipp则为在挑选中的重要参数。不过该参数有时候会以Peak Pulse Power来表示，这是Ipp与钳制电压相乘的结果，在换算时除掉钳制电压便可约略换算该TVS的Ipp。

5. 封装

虽然单通道TVS有着较高的弹性设计，但也因此占据掉较多的PCB空间；相比于单通道，多通道设计在PCB空间占据上就明显节省许多，尤其是高速讯号线是多对差分讯号，此时使用多通道便可以有效地节省PCB面积与降低使用元件个数。

图3. TVS挑选步骤

结论

晶片ESD耐受的降低已经是一个无法被忽视且棘手的问题，从设计者逐渐舍弃Varistor改使用TVS便可以看出，产品的ESD保护设计已经被认为是必要且需要逐步加强的。晶焱科技持续在ESD领域的研究，随时观察市场实际应用，让我们可以在不同静电防护需求时，提供最佳且最新的ESD保护方案。

审核编辑：汤梓红