IoT產品相關ESD解決方案

2021/05/04

      IoT(Internet of Things),泛指可操控的裝置透過網路連接並受到控制的系統。在以IoT為基礎所建設的智慧家居系統中,有些裝置附帶感測器用於蒐集環境數據,系統接著使用這些數據進行分析,並判斷與自動進行相對應的動作,以此來達到增加舒適感、提升效率與節能等等的目的。一個智慧家居系統,以cloud-based智慧系統為例,通常包含以下三個部分,終端裝置(感測器、裝置、執行器)、Edge Gateway以及雲端運算與儲存系統。目前市面上常見的智慧家居系統在裝設完周邊設備後,會再額外設置一個中控裝置連線形成內網,之後透過這個中控裝置再連接到家用的數據機連上雲端完成系統架設。 


       佈置這些設置時,通常是經由消費者手動布建,因此產品在設置時常會碰到各種外界干擾,ESD( Electrostatic Discharge,靜電放電)是一種常見的破壞干擾因素。雖然晶片出廠前會經過靜電放電測試,但該測試是元件等級的測試(ANSI/ESDAJEDEC JS-001-2017),模擬的背景是在工廠產線這類受到妥善控制的環境中;相較之下,消費者使用環境更為複雜,ESD能量會隨著環境與消費者身上的衣著和手持物而有所不同,一般會以系統級放電 (IEC 61000-4-2) 來描述,此規範所模擬的ESD能量更強、破壞力更大,若該ESD能量釋放到未做好完整保護的產品時,可能會造成系統出現異常或破壞內部晶片,影響消費者體驗。


那該如何解決這個問題呢?

      工程師在設計產品時會添加TVS (Transient Voltage Suppressor)來避免產品受到ESD損害。TVS是一個能抑制高壓突波的被動保護元件,相較於傳統保護元件如Zener或Varistor,TVS應用彈性大、穩定且有更強的保護效果,因此硬體工程師廣泛使用TVS來避免產品受到ESD干擾與損壞。


       設計時,TVS會被放置在對外接口(I/O Port)的正後方,如USB、Audio Jack、Power Jack或RJ45等等,因為這些位置是產品內部電路最直接的對外路徑,因此TVS可以在外部高壓突波進入時迅速地啟動並箝制(Clamp)住電壓來避免產品受到該突波干擾。順帶一提,不同TVS相互比較時,箝制電壓(Clamping Voltage)越接近操作電壓便代表該TVS相較之下有更好的保護效果。 


       除了對外接口,也有些如觸碰螢幕與按鈕的人機互動的設計,人體的靜電也有機會透過這些互動模組進入產品中,因此在設計時需要特別在這些模組與主板連接處添加TVS使得產品能更穩定的表現。 


       智慧家居的裝置中,有些僅靠電池供電,所以功耗便成了這些裝置設計時的一個重要考量,也因此有些工程師會對TVS的添加有所疑慮;然而TVS是被動元件,在系統正常操作電壓下並不動作,漏電流極低(在操作電壓下僅nA等級),唯有在外部突波進入,超過TVS崩潰電壓(Vbr, breakdown voltage)時啟動,並且該TVS在突波結束後又會回復到不動作狀態,直到下一個突波進入。 


        相較於傳統保護元件如Varistor,TVS是透過電路設計製程的半導體元件,因此可以針對不同應用進行特殊的設計,以下舉晶焱科技產品為例,如天線應用要搭配低電容TVS (AZ5B75-01B, 0.1pF)、多通道訊號線使用Array TVS (AZ1143-04F, 4 channel)、低電壓系統適合低操作電壓TVS (AZ6118-01F, Vrwm=1.8V),而敏感訊號線則需要超低箝制電壓TVS(AZ5B0S-01F, 5.5V@8kV ESD)。 


        晶焱科技有著15年以上的TVS研發與製造經驗,因此對於不同應用有完整的保護方案,下圖是晶焱科技針對IoT智慧家居設備的參考保護方案。


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