小尺寸面板的ESD and EOS解决方案

摘要：

        小尺寸面板主要包括手机触摸屏，平板触摸屏以及数码相机触摸屏等等。这些面板与主板之间最常见的数据资料连接接口为MIPI (Mobile Industry Processor Interface), 通过对其添加TVS防护方案，并提高ESD and EOS耐受等级，将可大幅降低电子产品在日常生活使用中被干扰，甚至被破坏的机会；可因而延长产品的使用寿命，降低出厂返修率，使消费者更加信任，提高品牌商誉。   

关键词: ESD, MIPI, EOS, Panel   

        随着小型化智能产品的普及，各种消费类电子产品日新月异，出现了越来越多功能集成化、复杂化的产品，面板显示技术也随之发生了翻天覆地的变化。随着显示面板分辨率的增大，数据传输亦变得更为复杂与快速。但是同时也造成数据传输更容易被外界干扰问题，而最常见的干扰因素就是ESD and EOS。如何有效的防护面板，避免因ESD/EOS的攻击而影响功能运作甚至损毁，是我们刻不容缓需要处理的问题。

一、何谓ESD/EOS?

        ESD (Electro-Static Discharge) 即为静电放电。指当两个物体通过摩擦，电感应等方式，导致物体之间有电位差，将它们相互靠近或者直接接触而产生的电荷转移现象。实际生活中ESD事件发生的十分频繁，特别是在湿度越低的环境下，越容易发生。譬如冬天搓手后触碰门把手，会有被电击的感觉；冬天睡觉前脱掉毛衣出现“刺啦刺啦”的电弧；以及下雨天室外的闪电；这些其实都是发生在我们身边的ESD事件。   　　

        干燥的环境可能使我们身体携带高达数十万伏特的静电，如果在不加以控制时直接接触手机等电子产品的屏幕, ESD将通过面板的FPC，进入到电子设备的内部电路，瞬间释放高达数十安培的电流。现今半导体制程工艺越来越精密，最先进的制程工艺已经达到7nm, 但此类昂贵的高阶IC芯片本身耐受ESD的能力却大不如前，造成使用这种芯片的先进电子设备面临着极大的挑战, ESD事件轻则干扰电子设备的正常工作，严重则可能直接击穿电子设备内部IC芯片，造成芯片内部不可恢复的永久破坏。   　　

        EOS (Electrical Over Stress) 即为过度电性应力。当外界电流或电压超过器件或电子产品的最大规范条件时，产品性能会减弱甚至损坏。EOS产生情况很多种：包括电源不稳定所造成的突波；热拔插产生瞬态浪涌电流；雷击产生的瞬态感应电流；测试等接线误操作......

二、电源ESD/EOS解决方案

        针对电子设备进行系统等级的测试时，使用的静电测试环境必须符合IEC 61000-4-2的标准规定。标准文件内有规定接触放电和空气放电两种测试方式，针对不同的环境和电子产品，品牌厂商可根据实际应用环境及需要制定相应的测试等级。对于小尺寸Panel的产品，一般建议进行接触放电 ±8kV 且空气放电 ±15kV 的测试，制定合理的测试标准有助于提高产品的可靠性，减少市场客退率。   　　

        除了 ESD测试，许多小尺寸面板产品亦通过 8/20μs的浪涌波形来完成EOS测试，测试时依照 IEC 61000-4-5标准文件来进行，测试电压等级及需要进行测试的位置亦由品牌厂商依据实际情况自行定义。目前国内外许多知名手机品牌都有制定相关测试标准，主要针对VSP, VSN, VCI(1.8V) Power…等等。由于FPC置件区空间的限制，可以采用单路DFN1006 (0402)封装，甚至是更小尺寸的CSP0603 (0201) 封装的TVS产品进行防护，下表是晶焱科技 (Amazing) 推荐使用在电源线路上的ESD and EOS防护方案：

三、什么是MIPI接口？

        MIPI (Mobile Industry Processor Interface) [1] 是移动产业处理器接口的简称，是MIPI联盟为移动应用处理器制定的开放标准规范。相较于传统的信号传输方式，使用MIPI接口的模块具有速度快、传输数据量大、功耗低、抗干扰的优点，因此受到移动产业市场的青睐。   　　

        小尺寸面板所用的MIPI传输线路中，在信号传输的部份包含低速和高速信号传输的差分线, MIPI规定了一个差分时钟通道搭配可扩展为四对差分对的数据信道，可根据处理器和外设的需求来调节数据率。而且，MIPI D-PHY规范只给出了数据率范围，并没有规定具体的工作速率。在一个应用中，可用的数据信道和数据率都由接口两端的器件决定。目前可用的MIPI D-PHY IP内核可提供每数据信道高达1Gbps的传输率，这种特性已让 MIPI 完全适用于当前的高性能应用需求。此外，在屏显驱动或其他IC供电的电源线方面，其电源电压高低与面板大小相关，一般可能采用 1.8V, 3.3V, 5V, 8V or 12V…等等电压。

四、MIPI接口最佳 ESD 防护方案

        为了保证数据线信号传输的完整性，电源电压的稳定性以及相关IC芯片不受ESD的影响，需要在MIPI对应的线路添加ESD防护器件。针对其复杂的线路需求，添加半导体TVS (Transient Voltage Suppressor; 瞬态电压抑制器) 产品是目前最优的保护方案。当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极快的反应速度（<1ns）使其阻抗骤然降低，将大电流导引至地，并使其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路组件免受瞬态高能量的冲击而损坏。   　　

        半导体TVS具有响应时间快、瞬态功率大、电容低、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压低、体积小、易于安装等优点。在TVS选择上，由于MIPI接口数据线信号传输速率较快，建议选用低容值 (≤0.5pF) 的防护方案。另外，由于小尺寸面板的FPC置件区空间有限，在低ESD钳位电压的前提下，也要尽可能选择小型封装的TVS器件，下表料件是晶焱科技 (Amazing) 推荐使用在小尺寸面板MIPI接口数据线的ESD保护方案：

        上述表格的方案推荐中，最值得注意的产品为AZ1743-04F, 采用的 DFN1308P5Z封装大小只有1.3mmx0.8mmx0.4mm, 且单颗极小封装 TVS 数组已同时集成4 I/O保护线路 (请参考图一), 远比两四颗单路的 0402 封装 TVS 产品占 PCB 空间更小，更有利于在小尺寸面板极小空间的FPC板上实现设计。同时，AZ1743-04F相比其他几颗产品，容值更低，钳位电压更低，产品性能最优 (请参考图二), 是针对MIPI接口数据线防护ESD的最优保护方案。

图二、AZ1743-04F的超低静电钳位电压及超低寄生电容特性