高密度、小型化電子設備之ESD保護設計方案
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電子產品體積小型化，已是目前無法迴避的設計方向，但小型化同時也代表著載板面積有限、元器件必須考量以更高整合度的應用方案取代，而一般針對ESD保護較高的元器件，其體積也相對較大，如何在小型化與設備安全間取得折衷設計方案，成為產品設計必須正視的問題...
ESD(Electrostatic Discharge)問題，對於小型化的設備來說，有相當重要的指標意義，尤其是高複雜度的設備，即易因ESD的短暫作用而使關鍵晶片受到損壞，若能在設備加入更多ESD改善設計，將可使設備的耐用度與壽命增加，同時避免故障返修造成的成本問題。
而新的電子設備在重點連接介面越來越多元，如mini HDMI、Micro USB、RJ-45...等高速介面，在使用接腳不亞於標準介面，同時也形成ESD問題導入設備的常見管道，以下將介紹以TVS(Transient Voltage Suppresser)二極體方案(暫態電壓抑制器)防止ESD問題鑿穿關鍵應用晶片，透過設置TVS改善設備或晶片對鑿穿電壓？電流的對應強度，同時討論針對行動裝置、消費性電子的設計典型應用案例。
小型化設計方案 更須重視ESD設計
在時尚流行趨勢的推波助瀾下，電子設備趨向採取更輕、更薄、效能更佳等應用設計。為達到上述產品開發目的，設備必須使用更小型化設計的元器件方案，但小型化元器件本身也會因為材料限制，使得原有因應外部ESD問題能力受到影響，如為了縮小載板面積採用高密度多層板、更細窄的線路佈設、應用更高電晶體密度之整合晶片，都會造成ESD問題呈倍數呈現。只要設計方案為了節省體積而縮減ESD防護等級，便會讓外部ESD問題造成電子電路之影響擴大。
在進行電子電路之ESD防護設計，必須理解ESD保護的方法。一般為電路保護目的開發的整合元件，所能因應的問題條件也不同，設計時必須了解關鍵保護元件的特性與使用情境，例如，在箝位電壓元件TVS方面，使用時為專門用來吸收外部ESD發生的能量、同時保護電路系統免受ESD損害內部固態元件，最佳的應用狀態為設計方案剛好達到ESD可能產生的安全工作範圍。
一般保護元件都是設計來吸收突發、大量外部能量，而元件的設計方案可能會讓元件導致具較高箝位電壓，或是讓保護電路本身的電阻、電容值過高，反而造成無法有效減小ESD問題造成之損害，而TVS元件可以改善阻抗過高與等效電容等關鍵問題。
選用合宜TVS 需注意元件參數
選用TVS元件仍須考量幾個關鍵參數，而處理瞬間高額脈衝導致元件損壞，最佳的對應方案為將瞬間突波產生的高額電流量、自保護電路中快速旁路引導排除。而TVS可設計於電路與受保護的區塊電路併連設計，當ESD產生的外部突波高電流問題時，TVS元件快速形成極低阻抗之電子迴路，瞬時將高額電流引導至二極體引開、進而達到保護關鍵元件之設計目標。
當TVS保護機制作動後，會持續地提供低阻抗引導高額電流保護過程，但當電路中脈衝突波高額電流問題解除後，TVS隨即自動轉換回原有的高阻抗狀態，讓整體電路返回正常運作狀態。
但觀察整個TVS作動條件、保護過程會發現，TVS經過多次保護程序作動後，會在一定的工作限定範圍內開始出現元件退化，出現如反應速度趨慢或是回復時間變長等問題，而TVS遭多次高額ESD防護過程後，也可能因為元件退化出現損壞狀態。
針對設計方案需求 尋找合宜參數表現元器件
因此我們可以推導，選擇TVS的幾個關鍵參考數據，用以評估開發專案導入TVS的料件形式、規格要求。例如，TVS的VBR(最小鑿穿電壓)、Ir(鑿穿電流)等關鍵數據，其中VBR的規格是以25°C條件下的最小鑿穿電壓，低於鑿穿電壓TVS將會呈現高阻抗、無作動狀態，但實際元件的作動時機，並非標註參數這麼精準，而是會有小幅的離散程度，如VBR有5%~10%離散差異。
因應IEC61000-4-2國際認證標準，TVS需要達到8kV(接觸型ESD)、15kV(空氣ESD)之衝擊耐受性，雖然認證標準已提供標準，但設計方案若需要針對ESD問題拉高要求標準，也可依需求選擇規格更高的TVS元件導入設計。而TVS還須考量Vwm、Vc等於突波抑制能力相關的關鍵參數，其中Vwm為TVS二極體正常運行狀態可承受之外部電壓，Vc為最大峰值電壓，需妥慎確認才不會讓被保護電路暴露在ESD問題風險之下。
針對手持行動裝置而言，一般TVS選擇Pppm額定脈衝功率時，以元件處於最大截止電壓之峰值脈衝電流換算，一般具500W的TVS Pppm就相當夠用了。除檢視Pppm外，還得確認最大峰值脈衝功耗Pm，而在TVS處於最大箝位電壓時，Pm越大代表元件本身可承受的外部突波電流安培數較高，即為可面對之突波電流處理能力表現更佳。
TVS累積脈衝處理 也會影響元件壽命
而TVS元件除電氣規格數據外，仍須針對如元件對ESD脈衝出現重複頻率問題，因為，若電子電路中出現的ESD脈衝頻次過高，在TVS經反覆高頻次脈衝後的累積下，也可能因此造成TVS產生功能損傷。
TVS另還有個必須考量的規格重點，即TVS的等效電容，其元件電容值是在元件處於1MHz下進行測定，而電容值的大小與TVS的電流承受能力呈正比，亦即電容越高、耐受電流也就越高，但電容過大將會形成訊號衰減，尤其是在介面型態的ESD保護設計中，由於傳輸介面要求高頻資料交換？傳輸，若TVS的電容值較高會讓高速傳輸速度受到影響，甚至造成信號之噪訊、衰減訊號本身的強度...等。
在實際應用TVS時，仍須考量元器件的電容值範圍。如在高頻、高速應用場合中，應避免使用電容值較高的產品，應以LCTVS低電容TVS產品為應用首選，一般這類低電容設計之TVS其電容值大多低於3pf；但對於速度要求不高、非高速傳輸迴路用之TVS元器件，則可以選擇TVS電容值較高的產品，壓縮料件成本。
尤其是智慧型手機、PDA或平板電腦，底部通常會設置多功能傳輸埠，這類傳輸埠的接腳數量相當多，多半為採用半外露的設計型態，即讓接腳暴露在插槽中，這類ESD防護設計可用SOT封裝的TVS保護元件，尤其可在封裝選擇小體積設計、薄化設計方案，以滿足行動裝置之應用需求。
另針對視訊、傳輸線、網路孔(RJ-45)這類設計情境的ESD設計中，就可以採行針對高速數據傳輸的低電容TVS元件，尤其是現有HDMI、Display Port傳輸速度大幅提升，必須搭配低電容之LCTVS元件應用，將受保護線路之TVS電容壓低至少於3pf或更低。
