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EOS对电子产品信号传输线的影响

2021/01/05


        技术的进步带动智能家居产品应用越来越广泛,扫地机器人、草地机器人、智能门机监控系统等产品占据家庭各个角落;伴随5G信息技术的来临,未来的信息处理技术会衍生更多新颖的电子产品。 


        安装于室外或接入室外缆线的产品在设计初期就应考虑耐受IEC61000-4-5雷击能量的防护,因雷击的过压或过流能量所造成的破坏称为EOS(Electrical Over Stress:过度电性应力);雷击电流轰击产品后,甚至肉眼就可以观察到芯片被损坏(见图1)。


图1 雷击对电子组件的损坏

图1 雷击对电子组件的损坏

图2 芯片Decap照片

图2 芯片Decap照片


        雷击在特殊天气情况才会产生,但家庭场景下造成的EOS原因却很多,比如AC/DC电源插拔、电子设备的频繁启动、产品连接时由于接地不同存在的电位差等。目前越来越多的厂商开始重视在信号传输线做浪涌测试,主要原因是海外市场返修机率比较高(常见比如HDMI接口无输出),在芯片厂商协助分析后发现芯片内部的接口和电源部分大面积的烧毁(见图2),芯片厂商一致判断为EOS造成。另外,部分客户端故障现象无法利用ESD实验复现,只有借助浪涌测试系统才得以重复性复现故障,所以越来越多厂商注重在芯线的EOS测试并开始制定测试标准。     


        以前,大部分系统工程师在设计时只留心在HDMI/USB接口做ESD防护,以保证通信线路不受ESD事件影响而损坏;但同时,浪涌保护设计往往被忽略,EOS最终成为芯片或系统的无法正常工作的潜在杀手。另外像一些楼宇自动化监控、IPC网络摄像头等在家庭应用会越来越多,HDMI布线时如果与家庭电网集中到同一线槽中,当雷电或电网产生的EOS脉冲耦合到HDMI芯线时可能造成产品故障,所以室外产品设计时更需要加强EOS测试和防护的环节。     


        半导体制程不断进步,芯片中组件的密度越来越高(台积电5nm制程已量产),相应的抗ESD/EOS的能力会越来越弱,再加上HDMI/USB信号传输速率不断提升,产品设计时线路当中需要对高速信号的阻抗和寄生电容有严格要求,如何选用合适的TVS器件是工程师们关注的焦点。晶焱科技推出了在HDMI2.0优化方案AZ1243-04F具有Surge的高Ipp电流(Ipp=12A)、ESD低钳位电位和低寄生电容(VDD=3.3V Cj=0.5pF)的特点(图3、图4、图5),在终端客户复杂的ESD和EOS环境下应用时能够提供更好的保护。AZ1243-04F采用贯穿式Layout布局,在PCB LAYOUT时很容易就可以控制差分对的阻抗,使用布线更加合理和便捷(图6)。


圖3.AZ1243-04F surge鉗位電壓

 图3.AZ1243-04F surge钳位电压



图5 VDD=3.3V的容值0.5pF

图5 VDD=3.3V的容值0.5pF

图4.AZ1243-04F ESD钳位电压

图4.AZ1243-04F ESD钳位电压



图6 HDMI2.0 LAYOUT图

图6 HDMI2.0 LAYOUT图


        大多数厂商依照设计经验会进行ESD测试,虽然都能通过IEC61000-4-2的测试标准,但仍然有故障返修的投诉问题,而且多为硬件故障(EOS损坏)。未来的产品设计时如果单纯的只对ESD做防护难免会错误估计了终端环境使用时引起EOS问题,这样客诉的问题不仅得不到解决,还会影响客户对产品的口碑;为了降低接口的不良比率同时提升自身的品牌口碑,已有厂商制定HDMI, USB, Audio 及其他影像接口的浪涌测试标准。相信在不久的未来,针对信号传输线的EOS测试将成为电子产品的标准测试。

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