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物聯網裝置之突波檢測與防制

(圖一) IoT系統受到的暫態突波衝擊之電性破壞型式。

物聯網(Internet of Things;IoT)已使電子與資訊的結合再進一步的深入了人類生活,甚至產生了許多生活模式的質變。許多的生活資訊在經過運算後,形成人類生活改善的指標。

而其中資訊的收集、處理,則需要應用到許多不同種類的電子設備來做接收及發送的功能,小可以到簡單的人體內或外的感測器,大可以到公共交通建設、運輸系統的應用。因此物聯網的電子器件,已經不再是單純的消費型電子產品,它的可靠性需要有更多層面的考量。

對於暫態突波(Transition Electrical Pulses)所引發的故障行為如:靜電放電(Electrostatic Discharge;ESD)、雷擊浪湧(Surge),以及過電壓(Over Voltage)使用,在真實的環境中,還有多種的組合,如圖一的示意。這些突波特性在各國際規範中多數都有相對應的測試驗證方法。但是消費電子很少將這些經過突波驗證的產品,再次拿去做使用年限的可靠度驗證。

其中驗證後雖然產品功能看似正常,但有時電子器件內部的材料卻已經有受損,例如:積體電路內部的金屬中發生了電遷移(Electromigration;EM)現象,或是氧化層在巨大突波下許多不同型式(Hot Carrier、Traps、Defect、Break-down等)的可靠度問題,就會使得積體電路產品的使用年限降低,這在安全類的物聯網產品是不被允許的。

出現故障的現象則分為兩類,一是電性破壞,包含了靜電放電及電性過壓(Electrical Over-stress;EOS)的破壞(Class D);另一類則是功能失效,其中又分為暫態的失效(Class B),以及必須重新啟動系統的失效(Class C)。依照產品應用的不同,各電子產品所要求的等級會有所不同。而安全的產品防護設計,分別會有積體電路內部及系統中的兩階段防護設計,在相互搭配下才是完美的設計組合。

物聯網電子器件多做為大量資訊的傳輸,其傳送訊號的天線、傳輸線,或是感測器本體,都有機會遇到上述的突波,如圖一左所示。系統中所設計的防護功能,分為兩類的設計型式:一是安全放電,另一則是箝制電位。安全放電是將大量的暫態能量通過一個安全的路徑排放到地,以避免過大能量直接進入系統中的功能性晶片。

而箝制電位的功能則是要能夠將進入系統的突波能量所造成的過大電壓箝制住,以避免功能性晶片進入邏輯無法判讀的模式,以降低晶片讀寫異常的機會。

在電源上的防護,會用具有箝制電位功能的瞬時電壓抑制器(Transient-Voltage-Suppression;TVS)或齊納(Zener)二極體,在極低電壓(<3.3V)的應用下,特別會使用半導體製程設計的TVS元件;接口訊號或是特別控制訊號的防護,則多只會選用以半導體製程設計的TVS元件。

這些防護元件的選用,及放置位置會有許多不同的專業考量。晶焱科技就提供了多種類的TVS元件以及專業的設計協助服務。(本文由晶焱科技陳東暘博士提供,尤嘉禾整理)

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