IoT(Internet of Things),泛指可操控的装置透过网路连接并受到控制的系统。在以IoT为基础所建设的智慧家居系统中,有些装置附带感测器用于搜集环境数据,系统接着使用这些数据进行分析,并判断与自动进行相对应的动作,以此来达到增加舒适感、提升效率与节能等等的目的。一个智慧家居系统,以cloud-based智慧系统为例,通常包含以下三个部分,终端装置(感测器、装置、执行器)、Edge Gateway以及云端运算与储存系统。目前市面上常见的智慧家居系统在装设完周边设备后,会再额外设置一个中控装置连线形成内网,之后透过这个中控装置再连接到家用的数据机连上云端完成系统架设。
布置这些设置时,通常是经由消费者手动布建,因此产品在设置时常会碰到各种外界干扰,ESD( Electrostatic Discharge,静电放电)是一种常见的破坏干扰因素。虽然晶片出厂前会经过静电放电测试,但该测试是元件等级的测试(ANSI/ESDAJEDEC JS-001-2017),模拟的背景是在工厂产线这类受到妥善控制的环境中;相较之下,消费者使用环境更为复杂,ESD能量会随着环境与消费者身上的衣着和手持物而有所不同,一般会以系统级放电(IEC 61000-4-2) 来描述,此规范所模拟的ESD能量更强、破坏力更大,若该ESD能量释放到未做好完整保护的产品时,可能会造成系统出现异常或破坏内部晶片,影响消费者体验。
那该如何解决这个问题呢?
工程师在设计产品时会添加TVS (Transient Voltage Suppressor)来避免产品受到ESD损害。 TVS是一个能抑制高压突波的被动保护元件,相较于传统保护元件如Zener或Varistor,TVS应用弹性大、稳定且有更强的保护效果,因此硬体工程师广泛使用TVS来避免产品受到ESD干扰与损坏。
设计时,TVS会被放置在对外接口(I/O Port)的正后方,如USB、Audio Jack、Power Jack或RJ45等等,因为这些位置是产品内部电路最直接的对外路径,因此TVS可以在外部高压突波进入时迅速地启动并钳制(Clamp)住电压来避免产品受到该突波干扰。顺带一提,不同TVS相互比较时,钳制电压(Clamping Voltage)越接近操作电压便代表该TVS相较之下有更好的保护效果。
除了对外接口,也有些如触碰萤幕与按钮的人机互动的设计,人体的静电也有机会透过这些互动模组进入产品中,因此在设计时需要特别在这些模组与主板连接处添加TVS使得产品能更稳定的表现。
智慧家居的装置中,有些仅靠电池供电,所以功耗便成了这些装置设计时的一个重要考量,也因此有些工程师会对TVS的添加有所疑虑;然而TVS是被动元件,在系统正常操作电压下并不动作,漏电流极低(在操作电压下仅nA等级),唯有在外部突波进入,超过TVS崩溃电压(Vbr, breakdown voltage)时启动,并且该TVS在突波结束后又会回复到不动作状态,直到下一个突波进入。
相较于传统保护元件如Varistor,TVS是透过电路设计制程的半导体元件,因此可以针对不同应用进行特殊的设计,以下举晶焱科技产品为例,如天线应用要搭配低电容TVS (AZ5B75-01B , 0.1pF)、多通道讯号线使用Array TVS (AZ1143-04F, 4 channel)、低电压系统适合低操作电压TVS (AZ6118-01F, Vrwm=1.8V),而敏感讯号线则需要超低钳制电压TVS(AZ5B0S-01F, 5.5V@8kV ESD)。
晶焱科技有着15年以上的TVS研发与制造经验,因此对于不同应用有完整的保护方案,下图是晶焱科技针对IoT智慧家居设备的参考保护方案。
