輕薄型電子產品的保護元件選用重點

隨著產品安全意識抬頭，同時電子商品也朝輕、薄、短、小方向開發，對於消費電子產品介面保護的重視度持續提升，保護元件已成電子裝置的設計關鍵重點！保護裝置除需因應縮小化需求，在面對裝置介面高頻運行，更易受到環境噪訊影響的狀況下，如何選擇適用的保護元件解決方案，便有更多變數需要考量...

傳統電子產品設計，為提升電路系統因應靜電放電(Electrostatic Discharge；ESD)狀況時的系統強固保護效果，產品開發人員必須採行多種方案來增強系統能符合ESD要求的標準，尤其是裝置最易遭受ESD問題的輸出/入介面(I/O)的關鍵電路節點，通常會使用瞬態電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor；TVS)元件，來增強線路對於ESD問題的抵禦能力。

特別是手持式裝置，例如智慧型手機、遊戲機、PMP或熱門的平板電腦，這類相對高階的電腦系統，有搭載精密的高效微處理器、記憶體、整合網路晶片等元件，其電氣系統在抵禦ESD的部分原本就呈現相對弱勢，必須透過設計手段加以改善，使產品不受ESD破壞或影響。

不同TVS元件類型 適用場合不同

基本上，防護ESD現象可用電路或元件整合來進行改善，但目前在電子電路縮小化的趨勢下，傳統防護ESD可用PCB走線或電子元件改善的應用方針，目前已經相對不適用，反而是採取整合型的TVS元件來因應ESD防護需求，漸成為常見的設計形式，而TVS元件也分成兩大類型。

TVS可以不同電源範圍選擇單向、雙向的防護設計效果，單向和雙向TVS元件，均可提供保護正向和負向的應力，而TVS基本上是在ESD產生的瞬間產生維持線路高阻抗、低洩漏狀態的一個電壓範圍。對於ESD的防護關鍵，在於判定多大以上的瞬態電器現象屬於ESD，此種電壓範圍將決定TVS元件可使用於哪一類的電路節點保護應用。

例如，雙向TVS是具有相對於0V的對稱特性，適合保護對稱或雙向的電子電路節點。至於單向TVS產品為具有相對0伏特的不對稱特性，較適合保護電壓極性相同的電路節點。至於消弧(Crowbar)元件擁有負阻抗區域，在低電壓時具高阻抗，當電壓較高時可觸發電路導通機制，使電路的電流增大同時電壓降低，而消弧TVS亦可提供保護。

在實際元件方面，ESD TVS元件使用的技術主要有壓敏電阻、聚合物與二極體(矽)等3類。壓敏電阻屬於雙向的保護元件，基本上是具備極寬電流與電壓範圍能力，通常用於高壓輸電線路和落雷的保護用途，但也有用於小型表面黏貼元件(Surface Mount Technology；SMD)技術ESD保護電路應用。

但壓敏電阻在其導電率方面也會存在較高的線路電容，讓壓敏電阻在高頻訊號線路方面應用受到侷限。甚至壓敏電阻在遭受多次ESD問題後，會使元件多次受ESD應力，其元件防護性能也會下降。

因應高速訊號介面的ESD防護需求

而近來的趨勢是，當USB 3.0、HDMI 1.4或DisplayPort等高速介面推陳出新，讓介面的傳輸訊號頻率大幅增加，但介面的ESD防護又不可缺乏的現實下，多數TVS方案會選用聚合物式的浪湧抑制器元件以因應ESD介面防護需求，尤其在大量高速傳輸應用，此種解決方案亦相當常見。基本上，聚合物的浪湧抑制元件即為消弧元件！

因為消弧元件為雙向保護元件，在元件的線路電容表現相對極低，此特性對於大量、高頻的高速傳輸應用方面，成為極具吸引力的ESD解決方案。但消弧元件也不是沒有缺點，因為消弧元件的問題在於導通的電壓高，導通阻抗性能也相對較差，尤其是遭受多次ESD應力時也會讓ESD防護性能趨於下滑。

另一款常見的ESD防護元件，即為金屬氧化物變阻器(Metal Oxide Varistor；MOV)，但金屬氧化物變阻器的特性是元件處於低電流、低電壓時會具備高阻抗特性，但高電壓、高電流時，金屬氧化物變阻器的元件阻抗則會呈現下降，金屬氧化物變阻器屬於電壓的鉗位元件。

此外，以往矽製的TVS元件，由於電容表現較高，在保護低電壓、高速傳輸的訊號線路應用方面有相當多的不利因素，但實際上近年的ESD防護技術不斷進步，讓矽製的TVS元件也逐漸能滿足高頻、高速應用線路的ESD防護需求。多數二極體都採用「矽」製造，此為一種雙端元件，順向為一個較低阻抗的傳導電流，逆向則形成取決於一定量才能擊穿電壓的高阻抗元件特性，而矽製二極體元件特性為單向元件。

矽製二極體的TVS元件，擁有多數ESD保護元件可選擇單向或雙向保護特性，實際上單組二極體為單向保護元件，若串聯結合2組單向的TVS元件即可建構1組雙向保護元件。市面上已有多種以雙向二極體為設計基礎的TVS整合元件。以往矽TVS元件存在電容表現較高，因應低壓、高速訊號線路方面的保護效果影響較大，但目前的防護技術持續進步，已改善此類問題。

面對不同設計條件 TVS元件也必須找尋最佳方案

多數的設計條件下，ESD應力表現要求，仍需視電路設計的ESD影響大小而定，對具不對稱敏感度之電路節點的ESD防護，可能只有基於二極體技術的TVS元件才能提供較佳的單向保護。至於高速傳輸應用場合，線路要求極低電容，這時會在設計應用時選取聚合物元件式TVS，也相對較其他TVS解決方案更具吸引力，不同元件的保護能力取捨，必須針對不同設計條件與限制來進行評估。

而壓敏電阻的元件成本相對較低，同時元件本身亦不要求需支援高壓導通，在低成本應用方面較具吸引力。但實際上，壓敏電阻仍存在較高的元件電容，這會使其應用於高頻、高速訊號線路方面的ESD防護時出現限制。同樣的，以二極體為基礎的TVS產品，其鉗位電壓的控制能力較佳，加上超低電容表現的二極體式TVS產品也越來越多，在高頻、高速應用方面也成為目前相當受歡迎的設計形式。

面對電子產品小型化、薄型化設計趨勢，ESD防護元件也必須跟上輕、薄、短、小的設計要求，例如，在不影響防護性能的條件下，目前TVS元件有採厚度僅0.55mm、uQFN封裝形式，亦有針對易於進行SMD作業或是安裝/維修優勢的0201、0402尺寸元件設計，新型ESD防護元件亦有採取無引腳SOT(1.0mm x 2.5mm x 0.5mm)封裝、或帶接腳的TSSOP封裝(3.0mm x3.0mm x1.1mm)，有助於裝配和製造端的實際應用，同時加快產品上市時間。