因為要求高集成度、快速度和小體積，如今的新興電子產品都使用基于先進深次微米制程的芯片。但制程越先進，芯片對ESD耐受度也就越差。當這些電子產品在實際環境下受到ESD沖擊時，IC內部更容易受到損害，因此電子產品中的ESD保護越來越重要。為幫助讀者清晰了解電子系統的ESD保護設計思路和解決方案，針對觸摸屏和指紋識別人機界面、HDMI等高速接口電路等熱點應用的ESD保護策略，現特別邀請到了臺灣晶焱科技股份有限公司研發部協理姜信欽博士來分享他的設計經驗。
目前主流的ESD保護元件是什么？
目前主流ESD保護元件分成兩種，一種是傳統以陶瓷材料所制作的變阻器(varistor)，另一種是用半導體材料制作的瞬態電壓抑制器(TVS)。傳統的變阻器的反應速度很慢(大于35ns)、箝制電壓高，所以保護效果非常有限，常常會發生被保護元件受損而變阻器健在的情況。TVS的導通速度快、箝制電壓很低，其保護效果非常好，因此用TVS作為ESD保護元件已成為電子產品設計的主流趨勢。不過，TVS的單價比變阻器高，目前都是通過TVS Array(陣列)來降低成本。
在IC中集成ESD保護功能與獨立的ESD保護方案，哪一種更有優勢？
目前IC講究速度快、集成度高，所以利用深次微米制程來制作IC。深次微米芯片的面積寸土寸金，若要在芯片內集成ESD保護元件需要很大的面積，所以不符合成本考慮。此外，在芯片內部集成系統級的ESD保護元件在技術上較難實現，不僅需要適當選擇保護元件種類(如NPN、 PNP等)，更需要芯片廠配合調整制程參數才可能實現。因此，若利用到深次微米工藝制作IC，較適合采用獨立的ESD保護元件。
如果不考慮成本和技術門檻，在IC內部集成系統級ESD保護元件，可以使電子產品的設計更加簡潔，外圍元件數目更少，并縮短電子產品開發時間、降低成本。當采用獨立的ESD保護元件時，系統工程師需要在PCB布局布線與TVS種類選擇上進行數次反復，才能達到設計要求，這會延長電子產品的開發時間。
晶焱科技累積了數十年的ESD保護設計經驗，成功開發了具有系統級ESD接觸模式8kV保護元件的HDMI開關。這是全球第一顆將此ESD保護規格集成到高速傳輸(2.25Gbps)的TMDS線對中。此外，晶焱科技還開發了具有強大雷擊浪涌保護的RS485收發器。此收發器內部整合了具有ESD接觸模式30kV保護的TVS，且其雷擊防護能力高達37A，是目前雷擊防護功能最強大的RS485收發器。
觸摸屏和指紋識別人機界面的ESD保護設計思路是什么？
觸摸屏及指紋識別系統在設計上會有三到五條不等的排線經由面板到連接器。在系統級ESD測試時，電壓沖擊會經由面板周圍耦合到排線上，再由連接器到達控制器。若控制器對電壓沖擊的抑制效果不良，可能導致功能暫時異常甚至永久損壞。因此，在ESD保護設計上，需在連接器附近加上ESD保護元件，以便及時吸收ESD能量。在PCB布局上，ESD保護元件與控制器的相對位置很重要。排線從連接器出線后，必須有ESD保護元件，后端再布置控制器，這樣控制器可以受到更完整的保護。在選擇ESD保護元件時，TVS的線路電容必須小于3pF，以不影響觸摸靈敏度及指紋識別的靈敏度。
對于USB 3.0、HDMI 1.3、DisplayPort、高速以太網等高速接口，如何平衡信號完整性和ESD保護的可靠性？
為這些高速接口進行ESD保護設計時，系統工程師需要注意以下四個關鍵點。第一，采用TVS Array保護元件，這樣才可以用最少的元件數來縮小PCB的空間及降低PCB的寄生阻抗。第二，ESD保護元件的線路電容要足夠低，比如USB3.0接口要求該電容小于0.3pF，HDMI 1.3接口要求小于0.6pF，HDMI 1.4要求小于0.5pF ，DisplayPort要求小于0.6pF，10/100M LAN也需要用線路電容小于3pF的ESD保護元件。只要保護元件的線路電容足夠低，信號完整性就不會受到影響。第三，ESD保護元件的箝制電壓必須足夠低，才能使系統在ESD事件發生時還能不受干擾地正常工作。至于要多低的箝制電壓才夠，則需根據系統的噪聲免疫能力而定。如果難以確定合適的值，可以通過測試結果來判斷。第四，ESD保護元件在系統上的布局要離接口端越近越好，因為當接口直接或間接受到ESD沖擊時，保護元件能夠就近有效地將ESD能量釋放，而不會影響到內部電路。
電源線的ESD保護設計的關鍵是什么？
電源線ESD保護的性能標準由IEC 61000-4-2 Level-4定義，ESD測試電壓值必須是接觸放電8kV，氣隙放電15kV，所以選用的ESD保護元件必須要能承受此電壓水平的ESD沖擊而不會被破壞。這是一個基本要求。但真正重要的是，產品的失效標準選用哪一種呢？在過去，Class-C(ESD沖擊后需手動復位)就足夠了，但隨著產品質量的提升要求，現在至少要求選用Class-B(ESD沖擊后系統會自動恢復)，甚至會要求選用Class-A(ESD沖擊后系統不會觀察到任何異常動作)當失效標準。這時，還需以箝制電壓的高低來當作選用ESD保護元件的依據。箝制電壓越低，則更有機會通過Class-A的ESD測試，因此ESD保護元件的關鍵性能指針就是低箝制電壓。
保護元件在電源布局設計分為兩種情況。若電源線有輸出或輸入接口，保護元件應該離接口位置盡可能近。若電源并沒有接口(可能通過電源IC輸出)，保護元件應該設計在ESD敏感元件最近的位置。
晶焱科技提供哪些產品方案和技術支持以幫助客戶的電子產品能經濟地滿足 IEC 61000-4-2 Level-4要求？
晶焱科技的TVS產品適用于所有電子產品，目前主要包括個人計算機、監視器、手持式電子設備(如手機、PDA、MP3等)。在個人計算機方面，我們提供USB3.0、 HDMI、LAN、e-SATA、VGA、DVI、相機、指紋、電源線、IEEE1394等I/O接口的ESD保護方案，并提供對應的PCB聯機布局建議。在監視器部分，我們提供復合視頻、音頻、S/PDIF、SCART、CATV/天線、DisplayPort、YpbPr、S視頻 (與個人計算機重復部分不再列出)等I/O接口的ESD保護方案，以及系統工程師的設計支持。在手機應用方面，我們提供顯示屏、SIM卡/外置存儲器卡、鍵盤、電池、底部連接器、USB/擴展塢、揚聲器、耳機/麥克風、音頻接口、天線等I/O接口的ESD保護，其中包含了EMI抑制解決方案。
除了以上三種最常見的電子產品外，家電產品(常見的有收音機、排油煙機、耳溫qiang等)也會使用ESD保護元件，以便通過安規測試等。甚至針對未來家中將安裝的智能電表，晶焱科技都已經開發了相對應的ESD保護元件。
晶焱科技的ESD保護產品最大賣點是什么？
晶焱科技的ESD保護元件的賣點就在于其擁有最低箝制電壓，最低的箝制電壓就代表對系統的保護能力最強。晶焱科技是第一個強力介紹并建議系統設計工程師以ESD箝制電壓的高低為選用標準的公司。許多人喜歡選用能承受高ESD沖擊水平而不會損壞的保護元件，但這就好像是在選用貼身保鏢一樣，如果保鏢孔武有力，但卻不愿為你擋刀子、擋qiang彈，那他對你就毫無保護效果。選用ESD保護元件也是同樣道理。如果選用一個能承受很高的ESD沖擊水平而不會損壞、但無法提供足夠低ESD箝制電壓的保護元件，當ESD沖擊系統時，常見的情況是，ESD保護元件安然無恙，但系統中一些主要IC已受損。