手持式電子產(chǎn)品Battery Power Rail的ESD/Surge防護方案

手持式電子產(chǎn)品PCB的設計趨勢 --- 小，還要更小

因物聯(lián)網(wǎng)為日常生活所帶來的便捷，為使電子產(chǎn)品的使用及攜帶上更為便利，各產(chǎn)品設計工程師亦持續(xù)挑戰(zhàn)在更小的PCB空間與更高的電子電路集成度之下完成更完備的產(chǎn)品功能。如日常生活常見的手機、智能穿戴裝置、無線耳機、電子煙，甚至是未來備受矚目的AR眼鏡，皆以使用0201小封裝的元件作為電子線路設計的主流，甚至是更高集成度的System-in-Package (SiP)應用亦已屬常見。

Battery Power Rail的ESD/Surge防護需求

每當用戶將電子產(chǎn)品Power on時，Power Rail上時常會出現(xiàn)Power Spike。抑或如使用者拆裝電池時，也會使電子產(chǎn)品的Battery Power Rail暴露在外在靜電干擾甚至被破壞的風險之中，因此各產(chǎn)品研發(fā)工程師在設計自家產(chǎn)品時，皆會針對此種突波(ESD、Surge Spike)做妥防護設計以提升產(chǎn)品可靠度。并且于產(chǎn)品工程階段時進行IEC61000-4-2靜電防護驗證以及IEC61000-4-5EOS測試，以嚴苛的突波仿真結(jié)果來確保產(chǎn)品本身能適應用戶所身處的各種環(huán)境。

圖一：Power Switch-on時遭遇Surge Spike案例

針對不同國家的氣候環(huán)境，電子業(yè)界面臨的挑戰(zhàn)

為使電子產(chǎn)品銷售到不同的國家能適應當?shù)貧夂驐l件，各品牌廠皆會以較嚴苛的測試條件來模擬使用者身處環(huán)境所可能遭遇的突波類型。常見的如手機產(chǎn)品于設計時多會考慮要銷售至氣候較干燥或是電力電源較為不穩(wěn)定的環(huán)境，因此在設計驗證階段時多會針對Battery Power Rail及USB Charger VBUS 進行較為嚴苛的IEC61000-4-5EOS測試，以預防產(chǎn)品在環(huán)境較嚴苛的區(qū)域引起較高的不良返修。為通過High Level IEC61000-4-5EOS測試，產(chǎn)品設計工程師常會挑選TVS置于Battery Power Rail及USB Charger VBUS處，使得ESD及Surge Spike由外部進來時即被TVS所擋下。然而，因手持式電子產(chǎn)品受局限的PCB面積，市面上小封裝TVS元件因受Die Size的局限往往無法承受高浪涌電流。這也使產(chǎn)品設計工程師必須考慮挑選更大封裝的TVS元件以通過嚴苛的EOS測試，即必須在產(chǎn)品PCB面積大小及ESD/Surge高耐受度之間做取舍。如何能同時符合占用少PCB面積及高ESD/Surge耐受度，時常成為工程師于產(chǎn)品設計時的難題。

ESD/Surge Protection Device for Battery Power Rail --- Design Scenario

理想的TVS for Battery Power Rail不僅要具備高浪涌耐受電流，為達到更低功耗(Power Consumption)以提供電子產(chǎn)品更高的電池續(xù)航力，Leakage Current (逆向漏電流)亦是重要的指標參數(shù)。而除了TVS自身的耐受度以及漏電流之外，對于TVS而言最重要的參數(shù)仍屬于箝制電壓(Clamping Voltage)。為了確保TVS發(fā)揮良好的保護能力，選擇TVS時仍應最先保證箝制電壓要夠低，如此一來即可避免TVS在未受損的狀況下，受保護的主芯片于靜電沖擊的當下仍遭損毀的情況發(fā)生， 失去了添加ESD防護元件的目的。

許多工程師在挑選Battery Power Rail的TVS元件時，為預防各電池電壓不穩(wěn)定所帶來TVS誤導通的風險，會選擇更高VRWM 的TVS以預留電壓余裕。但是更高VRWM的方案即代表更高VBD (崩潰電壓)及Vclamp(箝制電壓)的表現(xiàn)，在規(guī)格設計上如何同時具備操作電壓余裕及良好的TVS箝制電壓，亦常常使工程師陷入兩難。

最后則是TVS的方向性，因Battery Power Rail上為直流電壓，理想上會選擇單向TVS即能帶來更快的負向?qū)ㄋ俣燃案玫呢撓蝮橹齐妷?。然而，早期電子產(chǎn)品于產(chǎn)線大量生產(chǎn)時偶然會遭遇0201小封裝元件SMT上件貼反的困擾，而迫使工程師于設計時妥協(xié)采用雙向TVS以避免該風險。也因為此發(fā)展趨勢，目前市面上0201小封裝TVS元件仍以雙向元件主導市場。而近年小封裝元件漸成市場主流，以及如0201小封裝Schottky Diode需求的迫使之下，SMT量產(chǎn)技術日漸成熟，在PCB板上的方向性記號以及IC卷帶與IC單體Marking標示的多重輔助之下，漸漸已克服小封裝組件于SMT方向性的困擾。許多工程師在選擇TVS for Battery Power Rail時，即便是0201小封裝，仍堅持采用單向組件以提供最佳的保護效果。

圖二：單向TVS的優(yōu)勢 --- Optimized Negative Clamping Voltage

茲整理ESD/Surge Protection Device for Battery Power Rail設計重點如下：

Amazing Optimized ESD Protection Solution for Battery Power Rail ---AZ5A16-01M

綜合上述，晶焱科技為Battery Power Rail應用設計開發(fā)合適的TVS Solution --- AZ5A16-01M，規(guī)格簡介如下：

?Package: MCSP0603P2Y (0201)

?Directivity: Uni-Directional

?Reverse Stand-off Voltage: 6V

?ESD Clamping Voltage at 8kV: 9V

?System Level ESD Robustness (IEC61000-4-2): 30kV

?Surge Ipp (8/20μs): 20A

?Reverse Leakage Current: < 100nA ??

AZ5A16-01M不僅可提供4.5V、5V等Battery Power Rail良好的電壓余裕，同時更具備低逆向漏電特性以提供產(chǎn)品具備更佳的電池續(xù)航能力。而在享有此兩點優(yōu)勢的同時，雖然具備較高的VRWM特性，卻仍未在箝制電壓特性上有所犧牲。AZ5A16-01M與目前市面上0201單向5V – 6V TVS產(chǎn)品相比仍具備更低的箝制電壓以提供最佳的保護效果，其單向特性更確保擁有優(yōu)化的負向保護效果。

圖三：AZ5A16-01M TLP Diagram --- ESD Clamping Voltage

圖四：AZ5A16-01M Surge Clamping Voltage

為提供小型手持式裝置更彈性的PCB空間規(guī)劃，AZ5A16-01M采用MCSP0603P2Y小封裝設計，并且為確保產(chǎn)品Battery Power Rail能通過高規(guī)格IEC61000-4-5EOS測試，AZ5A16-01M更具備業(yè)界最高等級Surge Robustness高達20A (8/20μs)。此規(guī)格能幫助工程師于設計時滿足小封裝及高Surge耐受能力，同時擺脫小PCB空間及高Surge耐受之間的Trade-off煩惱。

圖五：AZ5A16-01M Package & Pin Configuration

最后，AZ5A16-01M采用MCSP特殊封裝設計，雖與傳統(tǒng)CSP封裝同屬Wafer-level Package，MCSP封裝則更具備六面Coating層保護以提供更強的封裝結(jié)構以及SMT上板推力能力，使AZ5A16-01M能在具備小封裝優(yōu)勢的同時仍能滿足品牌廠嚴格的SMT Push Strength Test測試規(guī)格。

圖六：MCSP封裝結(jié)構

由于AZ5A16-01M針對Battery Power Rail所需的各項規(guī)格而量身訂作的特殊設計，能提供市場上愈來越多的IoT穿戴式產(chǎn)品更強的系統(tǒng)級ESD耐受能力，以及避免產(chǎn)品遭受EOS破壞而導致的不良返修，并同時能兼顧良好的電池續(xù)航力與Compact Device之PCB設計需求，借此解決產(chǎn)品設計工程師們于設計時可能遇到的兩難處境，加快產(chǎn)品導入市場的時程。

審核編輯 黃昊宇