隨著晶片先進製程的演進,晶片對於抵禦外在ESD/EOS干擾的能力越來越弱,進而造成對外接口(例如:USB, HDMI, LAN等)對於ESD/EOS等能量的抗擾能力下降。為了提升系統的ESD/EOS防護效果,在各對外接口加上TVS元件已變成系統產品設計的趨勢,因此以下將介紹挑選TVS元件時必須注意的參數。
挑選適當的TVS 防護元件應注意以下參數: (1)工作電壓(VRWM),確保您訊號在正常工作的情形下不被影響,因此TVS的工作電壓不小於訊號的工作電壓; (2)電容值,TVS元件的寄生電容值過大會造成高速訊號傳輸異常,因此需選擇適當大小的電容值以避免訊號受到影響; (3)箝制電壓,對於TVS保護元件而言,此參數格外重要,越低的箝制電壓能夠提供系統越好的ESD/EOS防護效果。
前面所提及TVS的箝制電壓為影響防護ESD/EOS效果的重要參數,但如果在系統電路中沒有合適的layout擺放TVS,即便是保護效果再好的TVS元件,當遇到ESD/EOS能量衝擊時,也無法有效的發揮TVS的保護效果,最終造成系統的損壞。以下將探討TVS Layout對於系統防護效果的影響。
針對layout方式主要提供兩部份的建議:
(一)TVS應盡可能靠近外部接口擺放 由圖一可見,當TVS擺放位置為靠近外部接口(I/O)時,外部能量可以快速經由TVS將大多數的能量宣洩至地,此為較佳的擺放方式;但當TVS擺放位置距離外部接口較遠時,外部能量有可能造成訊號的擾動,因此造成在TVS做到進行保護之前就干擾到整個系統的運作。

圖一、
(A)TVS元件於線路中遭遇外部能量時的外部能量導通示意圖
(B)當外部能量進入時TVS距離端口遠近對於訊號干擾的差異
(二)TVS應避免走分支路徑 當PCB佈線空間狹小時,為了方便擺放TVS,有時會將訊號線另外拉線後接到TVS進行使用,如圖二(左)。類似此種另加引線的佈線方式將導致TVS無法達到最有效的防護效果。通常於TVS建議走線時,都建議將預保護的訊號線直接通過TVS,並且不建議使用而外拉線的方式進行使用。後續我們也以實測結果來模擬系統線路設計時,TVS的分支路徑對於TVS保護效果的影響。

圖二、TVS走線方式
圖三為實驗測試板,此實驗以AZ1143-04F進行測試,板子最左側為訊號線位置,並且在訊號線上設計不同的TVS放置位置,用於模擬當TVS距離訊號不同距離時,TVS對於系統保護上所產生的變化;而板子位置上,由左至右分別為Position 1至Position 4,並透過TLP系統量測不同位置下的TVS與線路上距離所造成的箝制電壓差異,以此作為TVS防護效果變化的依據。為了著重於訊號線與TVS之間的距離對於箝制電壓的影響,因此在測試版設計上,將GND部分以最接近TVS元件進行設計,以降低地迴路對於整體實驗的影響。

圖三、實驗測試版
由量測TLP結果(圖四)可知,在相同TLP電流16A的情況下,Position 1所量測到的箝制電壓最低(8.6V),而Position 4所量測到的箝制電壓最高(12.2V);隨著TVS距離預保護線路越遠,後端晶片所看見的鉗位電壓就越高,表示保護效果越差。

圖四、Position 1-4利用TLP系統量測實驗線路上的TVS箝制電壓結果
透過以上實驗可以證明,在系統電路設計時,TVS防護元件LAYOUT的方式會影響到TVS對於系統的保護效果,在進行電路保護規劃時,保護元件應盡量靠近外部接口(Connector)擺放並且TVS應直接擺放於預保護之訊號上,能使TVS元件對於系統ESD/EOS的防護效果較佳化,以達到提升系統抵抗外部ESD/EOS干擾的能力。