关于智能本的ESD保护和防雷击保护设计指引

    智能本是一种新兴的能像手机一样随身携带和即开即用的新型上网本，它在室外使用的几率相当大，因此在ESD保护和雷击保护方面必须进行特别的设计。ESD保护和雷击保护尽管同属过压保护范畴，但它们的设计要求和挑战却有很大不同。为了给读者在设计思路和解决方案选择上有更清晰的指引，本刊特别邀请到了台湾晶炎科技股份有限公司研发部协理姜信钦博士与大家分享他的设计经验。姜博士在这方面拥有28发明专利，是IEEE认可的电路保护专家。
    ESD保护和雷击保护在设计要求上的最大差别是什么?
    答：雷击事件所产生的噪声是属低频(事件长度为20usec以上)但能量却很大的噪声，所以雷击保护组件的设计都着重在能宣泄大能量噪声，而非其反应速度上。ESD(静电放电)事件所产生的噪声是属高频(事件长度为60nsec以内)但能量很小的噪声，所以ESD保护组件的设计必须着重于其反应速度上，唯有反应速度在10nsec以内的保护元件才有ESD防护效果。
    这两种过压保护的主要设计挑战是什么?
    答：雷击保护元件的设计挑战在于要在有限的元件体积下，能宣泄最大能量的雷击噪声，元件材料的选择是设计重点。ESD保护元件的设计挑战则是在设计元件的快速反应速度与反应后的低导通阻抗，唯有如此才能提供低箝制电压来保护系统的正常运作，而此类元件的设计重点会是在元件结构及其所用的工艺上。
    什么是实现这两种过压保护的最可靠或性价比最好的元件?具体工程设计上要注意什么问题?
    答：雷击保护元件目前还是以陶瓷材料所制作的元件(如压敏电阻)为主，因为其成本低又能宣泄大能量的雷击噪声。不过这类元件因其反应速度很慢(大于35nsec以上)，不可以同时拿来当ESD保护元件。ESD保护元件现在则是以半导体材料与工艺所制作的元件为主，因为其保护效果最佳、元件可靠度也最佳、成本也可因设计成阵列式而可降得很低。此外，透过适当的设计，ESD保护元件也可以被拿来当较低能量的雷击保护元件用(如小于40A的雷击保护元件)。
    要使一台上网本或智能本成功地通过严格的IEC61000-4-2level-4ESD测试或认证，你认为系统设计工程师应采取哪些电子和机械保护措施?
    答：因成本与重量的考量，目前的系统产品都被迫要采用大量的非导电材料来设计机构与外观，这造成系统设计工程师没有太多机械保护措施可用来设计一个完整、安全的静电放电路径来保护系统。这时务必导入半导体式及阵列式的ESD保护元件，结合有限的机械保护措施，来设计出一个最低阻抗的静电放电路径，供ESD噪声来通过，这就如同是埋了一根避雷针在系统产品中一样。
    要最经济地使USB2。0、USB3。0、HDMI1。3、DisplayPort、VGA和10/100M以太网接口满足IEC61000-4-2Level-4要求，应分别采用哪种类型的ESD保护组件?它们应分别满足的最低关键性能指标是多少?
    答：第一、要采用Array式的ESD保护组件，这样才可以用最少的组件数来缩小PCB的空间及降低PCB的寄生阻抗;第二、ESD保护组件的线路电容要够低，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保护元件;第三、ESD保护元件的箝制电压必须要够低，才能使系统在ESD发生时还能不受干扰地运作，至于要多低的箝制电压才够，则要看系统的噪声免疫能力而定，尚难订出实际的值，端看测试结果而知够不够低。
    要最经济地使电源接口满足IEC61000-4-2Level-4要求，应采用什么类型的ESD保护元件?它应满足的最低关键性能指标是多少?
    答：IEC61000-4-2Level-4所定义的是ESD测试电压值必须是接触8KV、空气放电15KV，所以选用的ESD保护元件当然必须要能承受此级别的ESD轰击而不会受破坏，这是基本要求。但是真正重要的是，产品的失效标准是选用哪一种?在过去，Class-C(ESD轰击后，需手动复位)就足够了，但随着产品质量的提升要求，现在都至少要求选用Class-B(ESD轰击后，系统会自动从异常动作恢复过来)，更甚者，会要求选用Class-A(ESD轰击后，系统不会观察到任何异常动作)当失效标准。这时，还需以箝制电压的高低来当作选用ESD保护元件的依据，愈低的箝制电压会有机会过Class-A的ESD测试。所以，ESD保护元件的关键性能指针就是其低箝制电压。
    晶焱的ESD和雷击保护组件与竞争对手相比，最主要的卖点是什么?
    答：晶焱科技的ESD和雷击保护元件的卖点就在于其拥有最低的箝制电压，最低的箝制电压就代表对系统运作的保护能力最强。尤其是ESD的保护元件，晶焱科技是第一个强力介绍与建议系统设计工程师以ESD箝制电压的高低当选用标准的。因为，有许多人会迷思在选用能承受愈高ESDlevel轰击而不会损坏的保护元件，这就好像是在选用贴身保镳一样，如果保镳长得孔武有力，但却不愿为你挡刀子、挡枪弹，那他对你就毫无保护效果。ESD保护元件也是同样道理，一个能承受很高的ESDlevel轰击而不会损坏的保护元件，若没能提供够低的ESD箝制电压时，当ESD轰击系统时，常见的情况是，ESD保护元件安然无恙，但系统的一些主要IC已被打坏。
    您会建议系统设计工程师如何选用具有低ESD箝制电压的ESD保护组件?
    答：要比较两个ESD保护组件的箝制电压高低，如果直接利用静电枪来轰击ESD保护组件，再用示波器来观察，是不容易观察出其高低，因为示波器上会看到很多高频噪声会把两个ESD保护组件的电压变化掩盖住。因此正确的比较方式是利用TransmissionLinePulsing(TLP)System来间接量出两个ESD保护组件箝制电压高低。利用TLP量到拥有较低箝制电压的ESD保护组件，对系统的保护效果会较佳。晶焱科技是第一家向系统设计工程师介绍此种选用方式，并成功让许多系统设计工程师透过此方式一次就选用到适用的ESD保护组件，节省下许多系统的ESD设计与测试时间。