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DWebinar0824

預防TVS閂鎖風險的方法與實際案例分析

圖一、具有閂鎖風險之TVS在HDMI介面ESD實驗流程圖。晶焱

靜電導致的失效與市場返修率息息相關,因此各廠牌針對這些易受突波干擾影響的介面接口訂定測試規格,並依照IEC 61000-4-2的系統級靜電耐受測試才能將系統產品進行量產到市場販售。

然而隨著日益嚴苛的測試條件與需被保護的晶片耐受程度降低,市面上開始出現許多為了提供更低鉗制電壓卻具有閂鎖風險的保護器件。本文將針對TVS與閂鎖效應進行實例探討,並提出方法該如何正確選擇保護元件避免閂鎖效應發生。

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圖二、在LDO測試ESD造成的TVS閂鎖效應分析。晶焱

實例一:HDMI1.4介面ESD保護器件與閂鎖效應

高速通訊界面常使用Re-timer或Re-driver來重塑訊號的完整性,增加PCB線路設計上的彈性。然而應用線路除了上拉電阻直接接到電源之外,Re-timer IC的Output driver會有較高的電流驅動能力,也造成了TVS 發生Latch-up的來源之一。

我們以終端產品的HDMI1.4連接螢幕來做閂鎖效應的實測,同時以示波器擷取TMDS channel的電壓變化。實驗過程我們將確認系統正常運作後,以ESD Gun對HDMI Port進行靜電放電,此時TVS會導通來保護後端IC,如圖一表示。

實驗過程觀察螢幕在ESD放電後黑屏,利用示波器觀察被閂鎖TVS(非晶焱科技產品)的電壓從正常顯示的2.8V被拉低到1.8V的低電平使得通訊失效。

根本原因探討:我們將此TVS使用曲線追蹤儀Tektronix 370A量測大電流下的IV特性,發現此TVS進入低阻抗導通狀態後,其導通的最低電壓Vhold即為1.8V。HDMI1.4 Re-timer輸出電壓為2.8V(最低輸出電壓為2.6V),而TVS Vhold則在1.8V,查找Re-timer規格書中TMDS短路輸出電流最大可到50 mA (因為TVS導通後會形成極低阻抗路徑,可視為IC 輸出短路到地的情況),這樣的電流驅動能力可以令TVS進入閂鎖後無法關閉。若無透過外部拔除插頭使IC斷電,則無法回復屏幕顯示與電壓位準,在長時間的電流導通情況下,對於IC本身與TVS皆可能造成不可逆的潛在威脅,如熱失效或漏電大幅增加…等。

因此在HDMI TMDS Channel,晶焱科技推薦客戶使用 VRWM≧3.3V的TVS作為保護元件,如: AZ1143-04F for HMDI 1.4/2.0與AZ1123-04F for HDMI 2.1,確保Vhold>VRWM。

實例二:手持式裝置的電源管理IC與TVS閂鎖效應

電池與穩壓器LDO是移動式裝置供電的核心單元,為了達成裝置的電壓輸出穩定與最佳可靠度,在電壓輸出的腳位建議使用TVS來做靜電保護。然而在電源輸出的腳位不慎採用具有Latch-up風險的TVS更是大忌,因為其電流輸出能力極強,會在短時間內造成電池耗電並使得TVS導通大電流,嚴重可能會造成元件燒毀引發硬體損壞。

實際案例中,客戶對3.3V LDO輸出進行ESD測試後發現異常,我們在實驗過程量測電壓位準,發現原3.3V已被下拉至2.85V,如圖二,與LDO輸出不符,並且必須將電池拔除斷電後才能回復正常工作電壓,研判此現象非常有可能是TVS發生了閂鎖效應。我們與客戶確認此TVS的規格書,發現標示3.3V工作電壓VRWM的TVS其Vhold電壓最低為2.8V,因此確認是不當的TVS選擇導致閂鎖造成的系統失效。此案更換為晶焱科技VRWM 3.3V的AZ5123-01H後,成功幫助客戶解決問題。

結語,晶焱科技仍在持續努力提供更低鉗制電壓的保護元件與研發,同時幫助客戶提升產品規格與可靠度。從系統面替客戶著想,不將風險轉嫁於客戶,提供低鉗制電壓以及無閂鎖風險的保護器件是我們對客戶的承諾。Amazing offers latch-up free TVS: Vhold > VRWM≧Voperating

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