行動裝置保護元件應用與設計
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前言：對於高密度與高集積化的小型電子裝置(如數位相機、PDA、智慧型行動電話)而言，這類產品已不光整合功能性元件，甚至還要同時搭載無線、有線...等傳輸應用，或是整合目前最熱門的USB 3.0、HDMI、DisplayPort高速傳輸介面設計，以提供裝置更快速的傳輸應用需求，不只是裝置的主要功能必須考量ESD(ElectroStatic Discharge)防護設計，在裝置聯外傳輸的高速介面，還必須透過更多設計手段，強化裝置抵禦或避免遭ESD而受損...
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在電子裝置體積越來越小的趨勢下，多數高精密或是整合多樣功能的電子設備，多半選擇採SoC搭配高密度整合元件實踐功能或應用，但在有限的PCB面積下，早已壓縮了不少因應ESD防護需求可能必須設置的電路設計，而ESD防護設計又是電子商品無法迴避的重要課題，也讓數位裝置在面對持續壓縮的主板空間壓力下，成為電子電路設計工程師相當頭痛的問題。
不只是相關等效電路的建構會因空間大幅被壓縮而增加電路設置難度，電子裝置在開發至上市的過程中，是否能通過安規與相關認證檢測，更是產品能否上市販售或是外銷的關鍵點，例如，採HDMI介面設計的產品除了介面導入設計需繳付權利金，相關產品、裝置還必須送交測試單位，針對HDMI相容性、信號品質、穩定性各項要求進行繁複檢測，始能取得HDMI認證順利上市販售。
不當保護電路設計 將造成驗證與開發的額外成本
而設備裝置未來需面對的個是檢測只會越來越多、要求越來越繁複，因為不只HDMI介面需要大量測試與經驗累積，目前新興的USB 3.0，在傳輸效能較前代設計等於升級10倍的高速表現，此也代表傳輸內容的高頻巨量資訊需穩定傳輸，這也會持續增加這類導入新高速介面裝置的介面設計難度與驗證複雜度。
多數數位裝置、設備之所以無法通過測試的關鍵在於，ESD的防護電路設計相較以往較為單純的電子電路環境，或是外部介面的傳輸頻寬相對較低的狀況下，ESD防護設計是較為簡單的，但在現今傳輸介面的頻寬持續飆高，此即造成連接設備欲與系統端達成穩定連線的同步化技術難度，因為設置不當的ESD保護元件或是在EMI(Electromagnetic interference)電磁波干擾防護設計中常用的扼流圈，以提供系統裝置的EMC(Electromagnetic Compatibility)表現時，此時就極可能因為ESD保護元件或是扼流圈本身的寄生電容過大，而造成無法通過相對嚴苛的各式認證測試，若因此造成無法取得認證，針對該項產品肯定必須面對重新更改PCB線路設計與電子零件重新設計、布局的額外成本。
確實面對電路的ESD問題
多數採用先進製程技術設計的積體電路，為增加其運行效率，其電路內的氧化層相對較薄，因此極容易受到外界靜電影響破壞產品結構，而電路保護元件與技術相當多，線路設計選擇電路保護元件時，應依據所保護電路的布線現況、可用PCB電路板空間及被保護電路的相關元件電氣特性來決定所使用的解決方案。
而當行動電話、數位相機、多媒體播放器與PDA可以提供更多功能時，其實，其輸出入I/O介面也因此隨之增加，這會導致靜電放電ESD侵入系統的機率大增，小則干擾晶片運行，大則造成積體電路損壞。
一般預防ESD影響的做法是在設計導入TVS暫態電壓抑制器(二極體)，至於TVS二極體是一種頗具效果的保護元件，應用時需針對不同保護目的選用對應元件，而元件業者也會提供參考設計，以達最佳化的應用效益，搭配合理的PCB布局邏輯，可將ESD問題大幅降低。多數保護元件都被設計為可吸收大量能量，在元件結構與設計亦使其具極高的鉗位電壓，但也同時因為變阻器的鉗位電壓太高，使這類元件較無法有效提供ESD保護。TVS二極體就是被設計來解決這類電路問題。
針對不同目的的ESD應用設計
針對不同ESD應對用途選擇元件時，需儘可能避免讓元件處於其設計參數極限的極限值，若第一道關卡就常常瀕臨崩潰極限，那也會影響系統的可用性，甚至遭逢多次靜電衝擊反而容易衍生ESD問題。此外，電路設計應對應被保護電路的布線特徵，與預設實際可接受的系統ESD承受強度，選用反應速度能應付系統穩定運行的標準、感應值夠高的保護元件，才能有效發揮保護元件在系統電路中的關鍵作用。
多數半導體廠商，也針對不同電路設計需求，提供多樣TVS二極體封裝尺寸，或是採類似晶片相同尺寸的微型封裝，這類元件在PCB板的佔用面積不大，卻能應付多線路的ESD保護需求，尤其是針對需要高整合度、小型化要求的可攜式設備尤其適用，或是有的元件乾脆將ESD、EMI、RFI多重保護電路整合在單一元件內，大幅簡化保護電路的設計難度，也讓PCB布線更為精簡，並大幅降低零件採購與加工成本。
更多低速連接應用，通常是裝置暴露於ESD高風險環境的關鍵，其實在這類裝置以按鈕、開關、傳輸線連接器...等設計，受ESD衝擊的機率為最多，因為這些高風險區塊，在正常操作電子裝置時，有些是元、器件本身就容易成為靜電的進入點，或是暴露於外部的大量金屬接點，這些應用也會受到更嚴苛的ESD脈衝衝擊。
而當行動裝置的體積越做越小，按鈕也會因空間有限緊挨著積體電路，機殼的屏障效用大幅被削減，反而造成ESD更容易與電路耦合。面對這類ESD高風險操作環境下，裝置設計就必須採具足夠箝位特性的ESD元件，以確保積體電路不受靜電或是外部電子信號衝擊，讓IC不至於因此損壞而出現物動作，以下將針對不同風險區塊，討論ESD線路設計的考量重點。
■按鍵與開關ESD應對設計
在行動裝置產品上，發生ESD較具風險處，以開關、按鍵...等元件設置的位置風險較大，但比較可喜的是這類元、器件未如USB 3.0或SATA這麼要求高速傳輸，對於電容的要求布高，採取一般的ESD防護手段即可處理，但也不能置之不理。
■通用連接器/底部連接器應用
以行動電話來說，多數設計會將通用連接介面設置於裝置底部，也有人稱之底部連接器，由於底部連接器同時具備電源供應、充電、資料傳輸、外接配件的連接接點，加上金屬接點大量露出，若沒有處理ESD設計，等於讓電路暴露在危險環境中，由於此處為直流迴路為主，可採取利用高電容元件處理大能量的衝擊，也可使用整合的TVS過載保護整合晶片。
■10/100M乙太網路接口
10/100M乙太網路接口採RJ-45介面，除是筆記型電腦必備介面，目前已有部分數位相機也號稱整合此連接介面，針對RJ-45介面設置的ESD保護措施，因為畢竟網路介面需應對大量資料傳輸，因此此處應採取低電容的瞬態電壓抑制二極體(TVS)處理設計。
■SIM卡連接器線路保護
行動裝置整合3G或是其他行動上網解決方案，SIM卡差槽或連接器設計，也是極容易招致ESD的高風險區塊，此處可採行大量集成式的ESD(採TVS設計)、EMI與RFI整合防護晶片方案導入設計中，使介面周邊設計的元、器件使用量有效減低，達到縮小電路板設計的目的。
■視訊線路的保護
視訊輸出介面，已經是目前行動裝置的必備介面，例如整合型的AV端子或色差端子介面就是一例，而在高階視訊輸出的設計線路中，例如D-SUB(使用15條線路傳輸)、DVI(使用28條線路傳輸)、SCART(使用19條線路傳輸)，這類視訊數據線必須具備較高的傳輸效率與抗干擾設計，有的視訊數據傳輸率可以達到1G以上！在防護設計方面必須選用低電容LCTVS，為低電容器二極體搭配TVS二極體串聯，可將相關電路的電容儘可能壓低，確保高速傳輸迴路的低電容要求。
■音訊/喇叭數據線路保護
以音訊或喇叭的電路保護，由於音訊電路的傳輸速率要求較寬鬆，實際傳輸速率較低，對於電容值要求不高，一般設計中100pF上下都是可以容許的狀況，對於分離式聽筒、話筒設計線路，可導入TVS陣列簡化設計，若是較節約的耳機與麥克風整合線路設計，即可以選擇單路TVS元件應付設計需求，而聽筒與話筒設計除考量ESD問題，其實這類線路對於高複雜性的積體電路或是PCB布線，設計不當很容易出現回授或是音效授高頻干擾，影響使用者體驗甚巨，因此PCB的電路布局，尤其需重視緊臨線路產生的自感或是干擾問題。
■一般中/低速USB介面保護
一般USB介面，觀察多數實際線路會發現，ESD的保護設計會分為上行/下行兩類情況，對於USB 1.1介面，ESD保護設計在下行與下行線路分別採用不同的保護元件，滿足ESD保護與濾波功能。但現實中，ESD設計很可能會在電路中產生寄生自感，這種狀況對於電路會造成強烈的電壓衝擊，導致外部電流超過IC所能承載的電流極限，繼而造成損壞。
保護特定應用元件選擇
若是為了要確定特定應用元件的最佳保護元件挑選時，其實保護元件的性能差異就相當關鍵，開發人員一方面必須考量ESD保護元件箝位輸入ESD狀況的方法，一般較小的箝位電壓，會發生在IC上的通過能量相對較小，而受保護的IC因此損壞的機率也相對降低，若比較矽材料的ESD保護元件與壓敏電阻的箝位特性時，就必須選用兩種近似應用的元件，也要在封裝尺寸、工作電壓儘可能相似。
以可攜式應用為例，多數低傳輸速率的連接電路，多半是0~5V的DC直流電路，一般高準位的工作電壓為5~6V。在一般應用設計場合中，在低速電路的防護線路設計，電容若真的超過50pF大多仍是處於可以接受的狀況，而透過壓敏電阻器得到的額外能量，會比採行矽保護元件而因此損壞核心電路或IC的風險更大。
至於大多數採低速線路的應用電路，實際上每日一般使用中大多持續承受大大小小的ESD脈衝狀況，針對低速裝置的防護措施，應該不是要求承受極限值，而是保護元器件能否承受多脈衝衝擊，而不至於影響系統正常運行，才是重要的選用重點。
而為避免ESD元器件干擾系統正常功能(如電容、線路自感)，正常狀況元件應該具備不能在正常工作狀態下中導通(大阻抗)，但只要一發生可能產生破壞性脈衝衝擊時，元器件就必須致能形成快速導通狀態，而保護元器件的反應速度與觸發靈敏度就相對關鍵，但實際應用中仍須持續測試元件於正常運作中是否干擾系統，或是刻意製造多次ESD脈衝再反覆檢驗保護元器件會不會因此產生漏電。
USB 3.0的ESD防護對策
2009年11月在USB 3.0規格發表後，由於IT電子產品在功率、傳輸速度的多方要求不斷提高，而光介面傳輸速度即提升至5Gbps，對電力供應的要求也順勢提高，而新的介面規格涵蓋更具效能的資料傳輸協定、電源管理架構，也透過各式手段確保資料在高速傳輸前提下，可以成功在主機與裝置間進行高效能大量傳輸應用，但在各式頻寬、介面電力等規格持續提升，也代表著設計難度巨幅增加，但在USB 3.0介面升級過程中，反而是安全規定仍維持一致性的高標要求，也造成介面ESD防護設計的議題持續增溫。
目前眾周邊介面規格中，以USB 3.0討論最為熱絡，而為因應各式不同週邊設備，USB的泛用介面特質，在回溯相容與傳輸效能方面，取得最佳平衡，但USB3.0除了在規格面提升10倍速度以外，一方面在介面供電的能力也在版本升級一併提升，從原有500mA額定電流升級為900mA電力供應。目前系統工程師若要將USB 3.0介面導入產品設計，首先面對的就是要分配足夠電力，到各個傳輸埠上，並在功率整個提升近一倍的前提下，確實整合各埠的電流保護設計線路。
PPTC具備保護電路設計的應用彈性
業界常用的過電流保護元件高分子正溫度係數熱敏電阻Polymer Positive Temperature Coefficient(PPTC)，具備USB 3.0高速介面下的應用條件，目前I/O連接埠設計中，通常除資料傳輸線設計外，還要整合電源線路設計，透過單一線材直接供電至週邊裝置或設備，或提供電力給讀取裝置端中的儲存元件。在實際的電路設計中，為了防止在未連接狀態下發生短路問題，或在連接裝置後才發生系統異常狀況而造成過電流問題，每個介面的連接埠電源接腳，都不能少掉保護電路的設計，而PPTC相當適合用於這類電路應用中。
而PPTC是一種根據溫動作動的非線性電阻元件，一般正常運作條件下，PPTC元件維持極高的導電度(低電阻值)，所以電子電路可正常運作，當電子電路發生過電流問題時，此時線路的高電流就會致使PPTC元件，產生足夠的(焦耳熱)能量達到超過其轉移溫度，使PPTC元件可以在短時間內產生超過100倍的電阻值變化，若透過組合電路設計則可達到保護特定電路貨元、器件的目的。
其實在USB 3.0規範中，早已要求必須採取限電流元件設計措施，以達到透過介面供電的基本保護手段，PPTC元件或矽低電壓半導體開關，則常被用來實踐這類限電流目的的應用解決方式，工程師若採PPTC元件防止電路出現過電流，PPTC在價格、瞬間電阻值、瞬間電流耐受能力與靜電敏感度...等表現，都具備較高的應用優勢。
PPTC元件當用於保護啟動時承受突波電流的保護電路時，PPTC元件，對於突波電流的調適性能，遠遠高於傳統的保險絲保護電路設計，因為保險絲元件在反復應付頻仍的突波電流時，通常會因此發生失效、熔斷的問題，造成電路必須更換保護元件才能繼續正常使用的麻煩，反而PPTC的自復性特質可不須更換元器件，就能讓電路恢復正常運轉。新一代PPTC元件，在電路應用中的壓降，於電流全載時可壓低至不超過0.1V，此可確保與USB 2.0裝置回溯相容的表現，不會因為連接埠的PPTC保護元件壓降限制，讓外接周邊的電力供應受到影響，也為PCB電路板的其他線路與元件保留更多的設計空間。
