關(guān)于智能本的ESD保護和防雷擊保護設(shè)計指引

智能本是一種新興的能像手機一樣隨身攜帶和即開即用的新型上網(wǎng)本，它在室外使用的幾率相當大，因此在ESD保護和雷擊保護方面必須進行特別的設(shè)計。ESD保護和雷擊保護盡管同屬過壓保護范疇，但它們的設(shè)計要求和挑戰(zhàn)卻有很大不同。為了給讀者在設(shè)計思路和解決方案選擇上有更清晰的指引，本刊特別邀請到了臺灣晶炎科技股份有限公司研發(fā)部協(xié)理姜信欽博士與大家分享他的設(shè)計經(jīng)驗。姜博士在這方面擁有28發(fā)明專利，是IEEE認可的電路保護專家。

ESD保護和雷擊保護在設(shè)計要求上的最大差別是什么?

答：雷擊事件所產(chǎn)生的噪聲是屬低頻(事件長度為20usec以上)但能量卻很大的噪聲，所以雷擊保護組件的設(shè)計都著重在能宣泄大能量噪聲，而非其反應(yīng)速度上。ESD(靜電放電)事件所產(chǎn)生的噪聲是屬高頻(事件長度為60nsec以內(nèi))但能量很小的噪聲，所以ESD保護組件的設(shè)計必須著重于其反應(yīng)速度上，唯有反應(yīng)速度在10nsec以內(nèi)的保護元件才有ESD防護效果。

這兩種過壓保護的主要設(shè)計挑戰(zhàn)是什么?

答：雷擊保護元件的設(shè)計挑戰(zhàn)在于要在有限的元件體積下，能宣泄最大能量的雷擊噪聲，元件材料的選擇是設(shè)計重點。ESD保護元件的設(shè)計挑戰(zhàn)則是在設(shè)計元件的快速反應(yīng)速度與反應(yīng)后的低導(dǎo)通阻抗，唯有如此才能提供低箝制電壓來保護系統(tǒng)的正常運作，而此類元件的設(shè)計重點會是在元件結(jié)構(gòu)及其所用的工藝上。

什么是實現(xiàn)這兩種過壓保護的最可靠或性價比最好的元件?具體工程設(shè)計上要注意什么問題?

答：雷擊保護元件目前還是以陶瓷材料所制作的元件(如壓敏電阻)為主，因為其成本低又能宣泄大能量的雷擊噪聲。不過這類元件因其反應(yīng)速度很慢(大于35nsec以上)，不可以同時拿來當ESD保護元件。ESD保護元件現(xiàn)在則是以半導(dǎo)體材料與工藝所制作的元件為主，因為其保護效果最佳、元件可靠度也最佳、成本也可因設(shè)計成陣列式而可降得很低。此外，透過適當?shù)脑O(shè)計，ESD保護元件也可以被拿來當較低能量的雷擊保護元件用(如小于40A的雷擊保護元件)。

要使一臺上網(wǎng)本或智能本成功地通過嚴格的IEC61000-4-2level-4ESD測試或認證，你認為系統(tǒng)設(shè)計工程師應(yīng)采取哪些電子和機械保護措施?

答：因成本與重量的考量，目前的系統(tǒng)產(chǎn)品都被迫要采用大量的非導(dǎo)電材料來設(shè)計機構(gòu)與外觀，這造成系統(tǒng)設(shè)計工程師沒有太多機械保護措施可用來設(shè)計一個完整、安全的靜電放電路徑來保護系統(tǒng)。這時務(wù)必導(dǎo)入半導(dǎo)體式及陣列式的ESD保護元件，結(jié)合有限的機械保護措施，來設(shè)計出一個最低阻抗的靜電放電路徑，供ESD噪聲來通過，這就如同是埋了一根避雷針在系統(tǒng)產(chǎn)品中一樣。

要最經(jīng)濟地使USB2。0、USB3。0、HDMI1。3、DisplayPort、VGA和10/100M以太網(wǎng)接口滿足IEC61000-4-2Level-4要求，應(yīng)分別采用哪種類型的ESD保護組件?它們應(yīng)分別滿足的最低關(guān)鍵性能指標是多少?

答：第一、要采用Array式的ESD保護組件，這樣才可以用最少的組件數(shù)來縮小PCB的空間及降低PCB的寄生阻抗;第二、ESD保護組件的線路電容要夠低，如USB2。0需要用小于3pF，USB3。0需要用小于0。3pF，HDMI1。3需要用小于0。6pF，DisplayPort也需要用小于0。6pF，VGA需要用小于2pF，10/100MLAN需要用小于3pF的ESD保護元件;第三、ESD保護元件的箝制電壓必須要夠低，才能使系統(tǒng)在ESD發(fā)生時還能不受干擾地運作，至于要多低的箝制電壓才夠，則要看系統(tǒng)的噪聲免疫能力而定，尚難訂出實際的值，端看測試結(jié)果而知夠不夠低。

要最經(jīng)濟地使電源接口滿足IEC61000-4-2Level-4要求，應(yīng)采用什么類型的ESD保護元件?它應(yīng)滿足的最低關(guān)鍵性能指標是多少?

答：IEC61000-4-2Level-4所定義的是ESD測試電壓值必須是接觸8KV、空氣放電15KV，所以選用的ESD保護元件當然必須要能承受此級別的ESD轟擊而不會受破壞，這是基本要求。但是真正重要的是，產(chǎn)品的失效標準是選用哪一種?在過去，Class-C(ESD轟擊后，需手動復(fù)位)就足夠了，但隨著產(chǎn)品質(zhì)量的提升要求，現(xiàn)在都至少要求選用Class-B(ESD轟擊后，系統(tǒng)會自動從異常動作恢復(fù)過來)，更甚者，會要求選用Class-A(ESD轟擊后，系統(tǒng)不會觀察到任何異常動作)當失效標準。這時，還需以箝制電壓的高低來當作選用ESD保護元件的依據(jù)，愈低的箝制電壓會有機會過Class-A的ESD測試。所以，ESD保護元件的關(guān)鍵性能指針就是其低箝制電壓。

晶焱的ESD和雷擊保護組件與競爭對手相比，最主要的賣點是什么?

答：晶焱科技的ESD和雷擊保護元件的賣點就在于其擁有最低的箝制電壓，最低的箝制電壓就代表對系統(tǒng)運作的保護能力最強。尤其是ESD的保護元件，晶焱科技是第一個強力介紹與建議系統(tǒng)設(shè)計工程師以ESD箝制電壓的高低當選用標準的。因為，有許多人會迷思在選用能承受愈高ESDlevel轟擊而不會損壞的保護元件，這就好像是在選用貼身保鑣一樣，如果保鑣長得孔武有力，但卻不愿為你擋刀子、擋槍彈，那他對你就毫無保護效果。ESD保護元件也是同樣道理，一個能承受很高的ESDlevel轟擊而不會損壞的保護元件，若沒能提供夠低的ESD箝制電壓時，當ESD轟擊系統(tǒng)時，常見的情況是，ESD保護元件安然無恙，但系統(tǒng)的一些主要IC已被打壞。

您會建議系統(tǒng)設(shè)計工程師如何選用具有低ESD箝制電壓的ESD保護組件?

答：要比較兩個ESD保護組件的箝制電壓高低，如果直接利用靜電槍來轟擊ESD保護組件，再用示波器來觀察，是不容易觀察出其高低，因為示波器上會看到很多高頻噪聲會把兩個ESD保護組件的電壓變化掩蓋住。因此正確的比較方式是利用TransmissionLinePulsing(TLP)System來間接量出兩個ESD保護組件箝制電壓高低。利用TLP量到擁有較低箝制電壓的ESD保護組件，對系統(tǒng)的保護效果會較佳。晶焱科技是第一家向系統(tǒng)設(shè)計工程師介紹此種選用方式，并成功讓許多系統(tǒng)設(shè)計工程師透過此方式一次就選用到適用的ESD保護組件，節(jié)省下許多系統(tǒng)的ESD設(shè)計與測試時間。