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佳邦科技推出全方位ESD/EMI保護元件 針對USB3.0/HDMI與網通/RF應用

  • 劉一婷
基層共模率波器應用於乙太網路RJ45網路變壓器之Pin module設計。

面對USB3.0高速傳輸時代來臨,系統業者逐漸思考系統的EMC/EMI防制等課題,各家保護元件大廠也積極發展適合下一代晶片的ESD防護/EMI干擾防護措施解決方案。台灣被動元件大廠佳邦科技(INPAQ,http://www.inpaq.com.tw),繼RF GPS ATENNA天線/模組在市場大獲成功之後(約佔全球70% share),相繼開發Wi-Fi/BT/3G/4G/DTV等解決方案。同時,在ESD/EMI防護元件方面,更是不遺餘力推出各項相關產品於USB2.0/HDMI/Display ports/USB3.0高速I/O與網通/RF等全方位應用。

在高速傳輸的EMI解決方案方面,佳邦科技對高速傳輸I/O系統HDMI/USB3.0分別提出超小型TCF系列單顆(SINGLE) 0504(1.2x1.0mm2)與陣列(ARRAY)0804(2.0x1.0mm2)小尺寸的專利薄膜共模濾波器(Thin-film Common Mode Filter),TCF0504H系列其共模阻抗65/90歐姆值HDMI高頻特性截止頻率fc(cut-off frequency)可達6GHz以上,適合高速傳輸,已大量投產與接單;USB3.0方面,TCF0504U系列65/90ohm(fc~8GHz)等也相對於晶片端與系統端、客戶端認證中;此外,MCM2012&3216-B/D系列基層CMF產品已成功切入與量產至NB/主機版客戶,取代USB2.0市場由繞線(wire-wound)CMF長期寡占的市場地位;MCM系列之專利積層厚膜(Multi-Layer thick film)製程採取低溫共燒LTCC陶瓷與Ferrite軟磁材質在小單體基層器件上,這對台灣積層/薄膜EMI產品長期被日/韓系壟斷局面來說,是一大突破。此外,在乙太網路(LAN Ethernet)方面,已導入主機板RJ45磁性變壓器接頭(含USB2.0)製造大廠,包含SINGLE與ARRAY型MCM2012/3216-G系列共模濾波器,用以突破傳統T-core (Toriodal/Ring)手動人工繞線的生產窘境,更協助客戶提升品質管控與生產效能,在網通/通訊方面,特別是對防制ISN band (150K~30MHz)傳導雜訊(conducting noise)方面,有不錯的改善效果。 對於NB/網通客戶網路接口埠應用面,ESD/SURGE元件也進一步合作開發與導入當中。

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TVSD與MSEA產品之特性比較。

來自系統端EOS的威脅。

EOS失效原因之一:TVSD漏電流+EOS。

在高速傳輸的ESD解決方案上,佳邦已開發/量產陶瓷抑制ESD元件(Ceramic ESD suppressor),功能接近半導體製程的暫態電壓抑制器/二極體(Transient Voltage Suppressor Diode;TVSD);其中EGA/TVU & MSEA兩系列,其Cp(寄生電容)均小於0.2pF,遠優於TVS,讓高速訊號傳輸失真降至最小。不管是單顆EGA用在高速控制I/O或者是TVU ARRAY用在HDMI差分對高速I/O都呈現不錯的ESD與SI(signal integrity)特性;特別是EGA產品更廣泛運用在手機天線RF前端模組(RF-front-end Module;RF FEM)做ESD防制設計,獲得國際模組大廠與IC方案公司相繼採用;此外,MSEA系列以專利Laser-gapping(雷切-氣隙)技術,以空氣放電(Air Dis-Charging)方式來抑制ESD/SURGE突波,Cp更可低到0.1pF以下,是目前最低容的ESD保護元件,主要鎖定在TV/Monitor DSUB & USB2.0 I/O等應用,預估將成為TVSD替代方案。另一方面,陶瓷ESD元件有項特色是漏電流(leakage current)極低,對手持產品設計來說相對省電,整體系統可靠度相對較高,壽命也較長。

EOS(Electronic Over Stress)問題爭議,一直困擾著ESD元件廠商與系統客戶,或許系統設計者已考慮到所有ESD/EMI/EOS之安全設計防護範圍,但難免還是遇到未知的EOS問題,導致燒燬系統甚至莫名損壞TVSD本身。通常供應商也只能無奈向客戶表示是未知EOS打壞系統與IC,這難免造成客戶的困擾。仔細探究其中原因,可能是「TVSD漏電流過高+EOS」;因TVSD屬半導體製程設計,往往需要VDD偏壓以作動TVS中diode到較低Cj接面電容(junction capacitance),使IC訊號於高速傳輸時不會失真(low distortion);一旦通電,就有漏電,且TVSD本體若漏電流太大(或因缺陷或提早老化),往往是TVSD本身與系統的殺手;若不斷DC偏壓與持續I/O訊號調變下,元件呈現長期洩漏與阻尼訊號失真;加上持續性的漏電產生的功耗,在熱與電流的雙重burn-in(燒機)現象,逐漸減少TVSD壽命,提早老化。 簡單來說,ESD器件屬分流接地應用,無ESD做動時與MLCC電容一樣,對高速I/O來說,視同RF元件,建議採低容Cp為佳(EGA/TVU/MSEA系列);對電源端,採MLV(Multilayer Varistor)產品(MLVS/MLVG系列)做ESD防制;取適當Cp值於VDD/控制訊號端做EMI/ESD同時防護(VPORT系列),不管何種ESD器件其實都同樣對漏電流規格的要求很嚴謹。

此外,加上來自系統外界不穩定電源網路的持續偶發性EOS電壓衝擊:Vcc開關雜訊與地電位彈跳,往往其overshoot電壓會進一步破壞半導體介面導致漏電流更高,最後擊穿半導體PN junction氧化層(oxide)介面導致短路;若是VDD電源(+5V)因TVS突然短路後直接下地,立即產生SURGE大電流(EOS),在無保險絲或限流電阻保護下,不免直接燒燬週邊二極體或主IC,導致客訴退換貨發生。當然,若是半導體ESD元件本身因設計或生產製程疏於管控,即元件本身有缺陷(漏電流易過高),一旦落於系統端使用,雖是保護器件,但對主板IC與被動器件整體可靠度而言,更是不定時炸彈,反而是客戶端系統可靠度失效之肇因。TVSD漏電流與EOS是長期潛在的隱憂,何時發生很難說,這凸顯ESD製造商的產品設計/可靠度驗證/製程品管與出貨檢驗等方面的重要性。

整體來說,佳邦科技於ESD與EMI在設計端建議客戶的特性選別條件不外乎以下重點:

◎ESD元件特性要求

●低漏電(a.耗電 b.訊號品質 c.可靠度/壽命)

●低觸發電壓(Vt,Trigger voltage),by ATLP test。

●低箝制電壓(Vc,Clamping voltage),by ATLP test。

●暫態耐電壓衝擊。

●低電容(Cp):適合高訊號完整性傳輸(signal integrity)。

◎EMI元件特性要求

●低差模插入損失 (insertion loss,IL, Sdd21@VNA,dB)。

●高差模Sdd21截止頻率,fc (Hz),>1.5GHz(USB2.0),6GHz(HDMI1.4),8GHz(USB3.0)。

●寬共模抑制帶(attenuation band,Scc21@VNA,dB)。

●多組共模阻抗選擇(ZCM@100MHz,65/90/120/180/220 ohm)。

●系統阻抗匹配(Zc,characteristic impedance,ohm),USB2.0/3.0L:90±15 ohm,IEEE1394/HDMI/LAN:100±15 ohm。

●SINGLE & ARRAY封裝供選擇。

以上重點參數,都是佳邦開發EMI/ESD產品的嚴選重要指標與品管重點,也漸漸導入RF觀念於ESD/EMI元件高頻特性開發與製程管控。

佳邦科技表示,未來薄膜/厚膜複合設計ESD/EMI SMD器件是開發趨勢,公司也大量投入製程設備與設計能量,同時與台灣IC設計公司/Wafer廠合作開發超小型單顆/ARRAY封裝技術,希望提升傳統保護元件的性價比,提供客戶專業與多樣化的ESD/EMI/RF解決方案,更期望其技術團隊能與客戶共同開發新產品,與客戶創造雙贏!