傳輸介面往高速化、高輸出電壓發展 保護元件同步升級規格

圖為具63V、75V高壓保護PTC SMD元件。AVX

在眾多被動元件中，保護元件佔相當重要的一塊，尤其是當電子產品外接介面傳輸速度越來越快、電能輸出越來越高，保護元件若在功能未能到位，勢必影響電子設備的耐用度…

與一般元件一樣，保護元件也有分成主動式與被動式，目前常用之保護元件仍以被動式設計為主，例如，針對過電流保護需求設計的保護元件，其功能近似保險絲，但運作型式與一般保險絲或無熔絲保護開關一樣，也能再細分成一次性與多次性的保護元件。一次性保護元件即發生過電流問題時該元件完成保護程序後在線路恢復正常時，保護元件無法恢復原有保護功能；多次性的保護元件則可在發揮保護效用後，還可恢復原有元件特性，在下一次電路出現問題進行多次保護設計。

電子產品功耗持續探底  低功率、低電流保護元件需求增

由於電子產品設計趨勢為朝向環保設計，產品功耗要求高，電子設備本身的耗電量降低，因此低功率、低電流的保護元件需求較高，一般保險絲的電路保護機制多為利用電流原理之焦爾定律，即當電路內的金屬導電材質，在經過電流轉換成熱量的過程，只要線路出現過載電流導致線路出現高溫，即由電流電能轉換成熱量進而融斷線路，保護後端電子元件、高單價運算晶片不受瞬間高額電流影響而產生故障或燒毀，這也是一般一次性保護元件的應用型態。

而在電子產品資料傳輸、介面效能規格逐年翻揚，例如，以往常見的USB 2.0介面轉換至USB 3.0介面標準，就有近10倍的效能提升，另舉凡IEEE1394往Thunderbolt新高速傳輸介面升級、VGA Port改以HDMI/Display Port等整合高畫質影音傳輸介面取代，雖然也會帶來數倍的資料傳輸效能倍增式的提升，但面對高速傳輸介面保護設計，資料介面不但需達到低電容值/高度保護的ESD(Electro-Static discharge)保護效果外，相關保護元件的性能要求也隨著電子產品性能提升也需要同步升級。

ESD問題影響設備耐用度

尤其是當產品投入應用市場，供終端用戶使用時，用戶本身所帶的靜電效應在天候乾燥的地區尤其會凸顯電子產品ESD保護的重要性！因為天候乾燥區域的靜電問題更加嚴峻，ESD往往會致使電子設備出現損壞，例如，當用戶手持USB隨身碟或是高速資料傳輸介面，身體接觸連接埠或傳輸線終端，身體與環境的瞬間ESD現象就會透過連接器、傳輸線傳入設備，導致傳輸介面晶片或式周邊電路故障、損壞。

而靜電ESD產生的損害也多分為隱性與顯性兩種狀態，設備的ESD隱性損壞雖在產品的外觀樣貌看不出何處故障，但實際上電子設備可能已在接觸第一波ESD高額電流衝擊時已導致部分線路或元件故障，或使得關鍵元件變得更為脆弱，再用戶設備再次遭遇ESD或是過電壓等環境條件時，設備更容易因此出現故障問題。至於顯性的ESD故障，即ESD影響直接造成關鍵零組件損壞，導致產品直接呈現無法使用狀態。

針對過電流/高溫保護  PPTC元件可發揮電路保護綜效

先前也提過，ESD產生的問題，可能會因為高額電流在零組件產生高溫導致設備損壞，也可能是高額電壓導致設備零件過電壓、打穿半導體結構，導致關鍵零組件出現損壞。而電子設備的防護設計，可從降低核心元件傳導干擾、輻射干擾兩種不同方向著手改善。例如，在高速傳輸介面(如USB、IEEE1394、網路介面、HDMI、天線介面、SIM卡介面…等)增設ESD防護元件，提升高速介面抵禦外部線路問題的耐受能力。而除了電流方面的保護需關注細節外，其實溫度方面保護也不能馬虎，目前常用於電路運作安全溫度保護方面的保護元件，主要有NTC(Negative Temperature Coefficient)、PTC(Positive Temperature Coefficient)、PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficient)與TCO(Thermal cutoff)等，其中NTC、PTC為負溫度係數與正溫度係數的保護元件，也是俗稱的熱敏電阻，PPTC核心為高分子材料與導電顆粒製成。

檢視較特別的PPTC元件，其實應用功能則為多次型的保險絲概念元件，PPTC的核心為由高分子材料搭配導電顆粒製作而成，在兩端利用鎳製成電極，元件外部再搭配樹脂封裝或是塑料薄膜包裝。PPTC在低溫狀態下聚合物的結晶之間的導電粒子形成導通狀態，而當電流增加所導致的高溫問題，環境溫度會導致聚合物體積產生膨脹，聚合物自結晶狀態轉變為非結晶狀態時，導電粒子形成的導電連接導致斷裂而產生線路不導通(絕緣)，相對達到線路過溫保護效果。

一般電路正常狀況下，PPTC元件在正常電流傳輸時元件會呈現低電阻狀態，電阻值會在數毫歐姆至數歐姆之間，而當電流瞬間增加、元件溫度提升，PPTC保護機制作用時可在短時間使電阻值急遽升高、進一步保護後段電路安全，而在線路高電流與PPTC元件的溫度下降時，PPTC元件會恢復低電阻狀態，原有電路也會呈現正常運作狀態。而使用PPTC應用於多次性保護應用時，這種電路恢復正常元件即自動轉成正常導通狀態、當線路出現異常元件也發揮高阻抗/斷路狀態，優異的可恢復元件狀態特性，也能達到極佳的電路保護效果。

壓敏電阻更不上新設計需求  TVS元件低電容、快速反應勝出

早期保護元件礙於成本，會選擇使用壓敏電阻這類元件，壓敏電阻主要是利用陶瓷薄膜技術進行製作，有價格便宜、廣泛用於電子電路設計等元件使用優勢，但壓敏電阻對於外部升壓的反應速度有限，也讓壓敏電阻的保護效果因此打折扣。隨著電子產品的保護等級持續提升，電子產品的設計複雜度提升，對於電路的突發升壓保護電路反應速度不夠快，即便關鍵電路設有壓敏電阻報護，但保護元件反應速度不夠快也可能導致精密矽晶片暴露在危險工作條件之中。

因應壓敏電阻無法處理高速反映的保護效用，取而代之的是採取瞬態電壓抑制(Transient Voltage Suppressors；TVS)保護元件設計的電路保護處理，這類保護元件為利用半導體技術整合，可以達到更快速、更安全的瞬間高壓保護效果，更符合系統開發業者更高階的電路保護要求。

因應新一代資訊產品的各種電路保護需求，除高速化的資料傳輸介面需要更高的ESD防護能力外，同時對於介面的負載電容也必須壓低至1pF甚至0.5pF以下表現，同時還需要達到滿足低箝位電壓的表現，製作難度相當高，對保護元件廠商來說形成新的產品技術門檻。同時在新一代TVS保護元件，同樣因應高速介面的使用需求，新一代產品也被要求需達到超低電容的應用方案，因應速度倍翻、甚至數十倍速度提升的高速資料傳輸介面保護設計應用需求，以TVS保護元件方案來看，已有低於0.02pF甚至更低電容值的保護元件產品推出，因應新一代高速介面的保護需求。