高速傳輸訊號埠的ESD防護

TVS箝制ESD 8kV電流路徑圖。(晶焱科技)

從analog到digital、DTV到HDTV、2D到3D，隨著資料量不斷的提升，傳輸與處理訊號方式亦不斷更新，讓我們得以享受高畫質、高品質服務。但隨著資料內容的不斷增加，更高速傳輸的需求亦與日俱增。以TV為例，視訊解析度由VGA 640×480增加至HDMI 1,920×1,080P，且color depth仍有不斷往上提升趨勢。此外還需要包括Audio資訊並達成資料保密的功能，要使上述所有的資料內容正確且有效率的傳輸到TV上，最理想的解決辦法就是提高訊號埠的傳輸速率。但每一種傳輸方式都有速率上限的問題，因此各種新解決辦法也就不斷的被研究及發表。以上述TV的應用介面來說，便有VGA、YPbPr、S-Vidio、DVI、HDMI、DiiVa、DisplayPort…等等。

傳輸的介面主要工作是從A設備傳資料給B設備，或在A、B設備間互相傳輸資料，這樣的資訊交換過程通常會透過一個CTS (compliance test standard)來進行規範，以確認訊號的品質。

在傳輸資料的過程中，除了傳送正確無誤的資料外，另一個問題就是connector外露時，需耐受外界Noise及Transient pulse的所造成的干擾及影響。一般來說，上述的影響會被歸類為EMC的問題，隨著傳輸速率增高EMC的挑戰亦越加嚴苛。其中ESD問題在近年來受到各界的關注便是最明顯的例子，由於半導體製程的演進與使用者習慣的改變造成產品非常容易被ESD破壞，因此在產品內部利用TVS (Transient Voltage Suppressor)元件來提升防護能力是最有效且常見的解決辦法。

雖然在所有的傳輸介面上ESD問題是相當類似的，但為符合多變的傳輸規格及不同的傳輸速率，在評估ESD對策元件的可用型及可靠度時，下列重點是必須注意的：

1. 傳輸速度越高，TVS元件的電容必須越低。以HDMI而言，如晶焱科技的AZ1045系列產品電容僅約為0.5pF，如此才可確保信號完整性。

2. 在ESD能量衝擊的瞬間，能具有最快的導通速度(< 5ns)及最低的導通電壓。

3. 多次ESD衝擊之後，ESD保護元件的特性必須不能退化。

4. 在高濕高溫的惡劣環境下，ESD保護元件依然可發揮功用。

5. ESD耐受度為system level 8kV，而不是Component Level的HBM 8kV。

6. Package具有多樣性，以符合各種產品及PCB的需求。

所有消費性電子產品皆需通過IEC 61000-4-2的靜電放電測試要求後方可販售。

TVS是專門設計用於吸收ESD能量並保護系統免於遭受ESD損害的產品，其工作原理如下面附圖所示，TVS在線路板上與被內部線路並聯，在ESD瞬間高電流的衝擊下，TVS能即時導通並提供瞬時電流超低電阻通路，如此ESD的瞬時電流與能量便可受TVS所引開。但在考量TVS元件是否能夠對被內部線路提供有效地保護功能時，除了須考慮TVS在ESD衝擊下的導通速度是否夠快，更需要考慮TVS導通後箝制電壓 (Clamping Voltage) 是否夠低，以避免被內部線路受到ESD的衝擊而造成訊號的干擾後再引發系統重置、當機甚至損傷。因此，在ESD衝擊下，TVS導通後Clamping Voltage的高低便是選擇保護元件效能最重要的指標。

在各項高速傳輸介面需求下，如何降低TVS元件的Clamping Voltage，致力於研發各項有效防護內部線路免於遭受ESD或Surge破壞的產品，目前已有廠商成功推出符合USB 3.0介面的AZ1065系列TVS產品，其電容僅為0.27pF，在通過許多產品的認證後，已為業界最受信賴的防護元件選擇。目前更朝向HDMI 1.4的ESD解決方案努力不懈，以研發出最有效的TVS及HDMI Switch產品。(作者為晶焱科技 洪如真 副總經理)