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EOS對電子產品信號傳輸線的影響

2021/01/05

        技術的進步帶動智能家居產品應用越来越廣泛,掃地機器人、草地機器人、智慧門鎖監控系統等產品佔據家庭各個角落;伴隨5G技術的來臨,未來的訊息處理技術會衍生更多新穎的電子產品。 


        安裝於室外或接入室外纜線的產品在設計初期就應考慮耐受IEC61000-4-5雷擊能量的防護,因雷擊的過壓或過流能量所造成的破壞稱為EOS(Electrical Over Stress:過度電性應力);雷擊電流轟擊產品後,甚至肉眼就可以觀察到IC被損壞(見圖1)。


圖1 雷擊對電子元件的損壞

圖1 雷擊對電子元件的損壞

圖2 IC Decap照片

圖2 IC Decap照片


        雷擊在特殊天氣情況才會產生,但家庭場景下造成的EOS原因卻很多,比如AC/DC電源插拔、電子產品的頻繁開關機、產品連接時由於接地不同而存在的電位差等。目前越來越多的廠商開始重視在信號傳輸線做浪湧測試,主要原因是海外市場返修機率比較高(常見比如HDMI接口無輸出),在晶片廠商協助分析後發現晶片內部的接口和電源部分大面積的燒燬(見圖2),晶片廠商一致判斷為EOS造成。另外,部分客戶端故障現象無法利用ESD實驗復現,只有借助浪湧測試系統才得以重複性復現故障,所以越來越多廠商注重在晶片的EOS測試並開始制定測試標準。


        以前,大部分系統工程師在設計時只留意在HDMI/USB接口做ESD防護,以保證通信線路不受ESD事件影響而損壞;但同時,浪湧保護設計往往被忽略,EOS最終成為晶片或系統的無法正常工作的潛在殺手。另外像一些樓宇自動化監控、IPC網路攝影機等在家庭應用會越來越多,HDMI佈線時如果與家庭電網集中到同一線槽中,當雷電或電網產生的EOS脈衝耦合到HDMI芯線時可能造成產品故障,所以室外產品設計時更需要加強EOS測試和防護的環節。     


        半導體製程不斷進步,晶片中元件的密度越來越高(台積電5nm製程已量產),相應的抗ESD/EOS的能力會越來越弱,再加上HDMI/USB信號傳輸速率不斷提升,產品設計時線路當中需要對高速信號的阻抗和寄生電容有嚴格要求,如何選用合適的TVS元件是工程師們關注的焦點。晶焱科技推出了在HDMI2.0優化方案AZ1243-04F具有Surge的高Ipp電流(Ipp=12A)、ESD低鉗位電位和低寄生電容(VDD=3.3V Cj=0.5pF)的特點(圖3、圖4、圖5),在終端客戶複雜的ESD和EOS環境下應用時能夠提供更好的保護。AZ1243-04F採用貫穿式Layout布局,在PCB LAYOUT時很容易就可以控制差分對的阻抗,使用布線更加合理和便捷(圖6)。


圖3.AZ1243-04F surge鉗位電壓

圖3.AZ1243-04F surge鉗位電壓



圖5 VDD=3.3V的容值0.5pF

圖5 VDD=3.3V的容值0.5pF

圖4.AZ1243-04F ESD鉗位電壓

圖4.AZ1243-04F ESD鉗位電壓



圖6 HDMI2.0 LAYOUT圖

圖6 HDMI2.0 LAYOUT圖


        大多數廠商依照設計經驗會進行ESD測試,雖然都能通過IEC61000-4-2的測試標準,但仍然有故障返修的投訴問題,而且多為硬體故障(EOS損壞)。未來的產品設計時如果單純的只對ESD做防護難免會錯誤估計了終端環境使用時引起EOS問題,這樣客訴的問題不僅得不到解決,還會影響客戶對產品的口碑;為了降低接口的不良比率同時提升自身的品牌口碑,已有廠商制定HDMI, USB, Audio 及其他影像接口的浪湧測試標準。相信在不久的未來,針對信號傳輸線的EOS測試將成為電子產品的標準測試。

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