TVS Layout與系統(tǒng)對于ESD的防護(hù)能力探討

隨著晶片先進(jìn)制程的演進(jìn)，晶片對于抵御外在ESD/EOS干擾的能力越來越弱，進(jìn)而造成對外接口(例如:USB, HDMI, LAN等)對于ESD/EOS等能量的抗擾能力下降。為了提升系統(tǒng)的ESD/EOS防護(hù)效果，在各對外接口加上TVS元件已變成系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的趨勢，因此以下將介紹挑選TVS元件時必須注意的參數(shù)。

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挑選適當(dāng)?shù)腡VS 防護(hù)元件應(yīng)注意以下參數(shù): (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的工作電壓不小于訊號的工作電壓; (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(dāng)大小的電容值以避免訊號受到影響; (3)鉗制電壓，對于TVS保護(hù)元件而言，此參數(shù)格外重要，越低的鉗制電壓能夠提供系統(tǒng)越好的ESD/EOS防護(hù)效果。

前面所提及TVS的鉗制電壓為影響防護(hù)ESD/EOS效果的重要參數(shù)，但如果在系統(tǒng)電路中沒有合適的layout擺放TVS，即便是保護(hù)效果再好的TVS元件，當(dāng)遇到ESD/EOS能量沖擊時，也無法有效的發(fā)揮TVS的保護(hù)效果，最終造成系統(tǒng)的損壞。以下將探討TVS Layout對于系統(tǒng)防護(hù)效果的影響。

針對layout方式主要提供兩部份的建議：

(一)TVS應(yīng)盡可能靠近外部接口擺放 由圖一可見，當(dāng)TVS擺放位置為靠近外部接口(I/O)時，外部能量可以快速經(jīng)由TVS將大多數(shù)的能量宣泄至地，此為較佳的擺放方式；但當(dāng)TVS擺放位置距離外部接口較遠(yuǎn)時，外部能量有可能造成訊號的擾動，因此造成在TVS做到進(jìn)行保護(hù)之前就干擾到整個系統(tǒng)的運(yùn)作。

圖一、

(A)TVS元件于線路中遭遇外部能量時的外部能量導(dǎo)通示意圖

(B)當(dāng)外部能量進(jìn)入時TVS距離端口遠(yuǎn)近對于訊號干擾的差異

(二)TVS應(yīng)避免走分支路徑 當(dāng)PCB布線空間狹小時，為了方便擺放TVS，有時會將訊號線另外拉線后接到TVS進(jìn)行使用，如圖二(左)。類似此種另加引線的布線方式將導(dǎo)致TVS無法達(dá)到最有效的防護(hù)效果。通常于TVS建議走線時，都建議將預(yù)保護(hù)的訊號線直接通過TVS，并且不建議使用而外拉線的方式進(jìn)行使用。后續(xù)我們也以實(shí)測結(jié)果來模擬系統(tǒng)線路設(shè)計時，TVS的分支路徑對于TVS保護(hù)效果的影響。

圖二、TVS走線方式

圖三為實(shí)驗(yàn)測試板，此實(shí)驗(yàn)以AZ1143-04F進(jìn)行測試，板子最左側(cè)為訊號線位置，并且在訊號線上設(shè)計不同的TVS放置位置，用于模擬當(dāng)TVS距離訊號不同距離時，TVS對于系統(tǒng)保護(hù)上所產(chǎn)生的變化；而板子位置上，由左至右分別為Position 1至Position 4，并透過TLP系統(tǒng)量測不同位置下的TVS與線路上距離所造成的鉗制電壓差異，以此作為TVS防護(hù)效果變化的依據(jù)。為了著重于訊號線與TVS之間的距離對于鉗制電壓的影響，因此在測試版設(shè)計上，將GND部分以最接近TVS元件進(jìn)行設(shè)計，以降低地回路對于整體實(shí)驗(yàn)的影響。

圖三、實(shí)驗(yàn)測試版

由量測TLP結(jié)果(圖四)可知，在相同TLP電流16A的情況下，Position 1所量測到的鉗制電壓最低(8.6V)，而Position 4所量測到的鉗制電壓最高(12.2V)；隨著TVS距離預(yù)保護(hù)線路越遠(yuǎn)，后端晶片所看見的鉗位電壓就越高，表示保護(hù)效果越差。

圖四、Position 1-4利用TLP系統(tǒng)量測實(shí)驗(yàn)線路上的TVS鉗制電壓結(jié)果

透過以上實(shí)驗(yàn)可以證明，在系統(tǒng)電路設(shè)計時，TVS防護(hù)元件LAYOUT的方式會影響到TVS對于系統(tǒng)的保護(hù)效果，在進(jìn)行電路保護(hù)規(guī)劃時，保護(hù)元件應(yīng)盡量靠近外部接口(Connector)擺放并且TVS應(yīng)直接擺放于預(yù)保護(hù)之訊號上，能使TVS元件對于系統(tǒng)ESD/EOS的防護(hù)效果較佳化，以達(dá)到提升系統(tǒng)抵抗外部ESD/EOS干擾的能力。

審核編輯：湯梓紅