浅谈智能本的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，是IEEE认可的电路保护。

　　ESD保护和雷击保护在设计要求上的差别是什么？

　　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）在我们的日常生活中可以说是无处不在，我们的身上和周围就带有很高的静电电压，几千伏甚至几万伏。平时可能体会不到，人走过化纤的地毯静电大约是35000伏，翻阅塑料说明书大约7000伏，对于一些敏感仪器来讲，这个电压可能会是致命的危害。

　　这两种过压保护的主要设计挑战是什么？

　　答：随着多媒体应用在每个人的日常生活中扮演的角色日益增长，计算机与消费电子之间的关系也日益密切，对便携性和功能性方面的增长会有持续性的需求。这就要求元件有更高的集成度——总的趋势却是导致敏感而昂贵的芯片，由于存在外部接口的ESD 浪涌而遭到损坏的风险也在增长。

　　为了抵消这种风险，Philips 提供了一系列宽范围的完整分立产品，致力于保护、消除和滤波所有相关的I/O 端口。Philips 的保护器件兼容的ESD 标准，这对所有CE 设备都是必须的：IEC 61000-4-2 level 4，8 kV（接触放电）和15 kV（非接触放电）。

　　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可靠或性价比的元件？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、元件可靠度也、成本也可因设计成阵列式而可降得很低。

    压敏电阻是一种无极性过电压保护元件，无论是交流电路或直流电路，只需将压敏电阻器与被保护电器设备或元器件并联即可达到保护设备的目的。压敏电阻的缺点是易老化和电容较高，老化是指压敏电阻内的二极管元件被击穿。由于大多数情况下Ｐ－Ｎ结过载时会造成短路，依其负载的频繁程度，压敏电阻开始吸引泄漏电流，泄漏电流会在敏感的测试电路中引起测量数据误差，同时，特别是在额定电压高的电路中，会造成强烈发热。

　　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，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？它们应分别满足的关键性能指标是多少？

　　答：、要采用Array式的ESD保护组件，这样才可以用少的组件数来缩小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，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，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的箝制电压，的箝制电压就代表对系统运作的保护能力强。尤其是ESD的保护元件，晶焱科技是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。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。

　　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。晶焱科技是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。