手持式电子产品Battery Power Rail的ESD/Surge防护方案

手持式电子产品PCB的设计趋势 --- 小，还要更小

因物联网为日常生活所带来的便捷，为使电子产品的使用及携带上更为便利，各产品设计工程师亦持续挑战在更小的PCB空间与更高的电子电路集成度之下完成更完备的产品功能。如日常生活常见的手机、智能穿戴装置、无线耳机、电子烟，甚至是未来备受瞩目的AR眼镜，皆以使用0201小封装的元件作为电子线路设计的主流，甚至是更高集成度的System-in-Package (SiP)应用亦已属常见。

Battery Power Rail的ESD/Surge防护需求

每当用户将电子产品Power on时，Power Rail上时常会出现Power Spike。抑或如使用者拆装电池时，也会使电子产品的Battery Power Rail暴露在外在静电干扰甚至被破坏的风险之中，因此各产品研发工程师在设计自家产品时，皆会针对此种突波(ESD、Surge Spike)做妥防护设计以提升产品可靠度。并且于产品工程阶段时进行IEC61000-4-2静电防护验证以及IEC61000-4-5EOS测试，以严苛的突波仿真结果来确保产品本身能适应用户所身处的各种环境。

图一：Power Switch-on时遭遇Surge Spike案例

针对不同国家的气候环境，电子业界面临的挑战

为使电子产品销售到不同的国家能适应当地气候条件，各品牌厂皆会以较严苛的测试条件来模拟使用者身处环境所可能遭遇的突波类型。常见的如手机产品于设计时多会考虑要销售至气候较干燥或是电力电源较为不稳定的环境，因此在设计验证阶段时多会针对Battery Power Rail及USB Charger VBUS 进行较为严苛的IEC61000-4-5EOS测试，以预防产品在环境较严苛的区域引起较高的不良返修。为通过High Level IEC61000-4-5EOS测试，产品设计工程师常会挑选TVS置于Battery Power Rail及USB Charger VBUS处，使得ESD及Surge Spike由外部进来时即被TVS所挡下。然而，因手持式电子产品受局限的PCB面积，市面上小封装TVS元件因受Die Size的局限往往无法承受高浪涌电流。这也使产品设计工程师必须考虑挑选更大封装的TVS元件以通过严苛的EOS测试，即必须在产品PCB面积大小及ESD/Surge高耐受度之间做取舍。如何能同时符合占用少PCB面积及高ESD/Surge耐受度，时常成为工程师于产品设计时的难题。

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

理想的TVS for Battery Power Rail不仅要具备高浪涌耐受电流，为达到更低功耗(Power Consumption)以提供电子产品更高的电池续航力，Leakage Current (逆向漏电流)亦是重要的指标参数。而除了TVS自身的耐受度以及漏电流之外，对于TVS而言最重要的参数仍属于箝制电压(Clamping Voltage)。为了确保TVS发挥良好的保护能力，选择TVS时仍应最先保证箝制电压要够低，如此一来即可避免TVS在未受损的状况下，受保护的主芯片于静电冲击的当下仍遭损毁的情况发生， 失去了添加ESD防护元件的目的。      

许多工程师在挑选Battery Power Rail的TVS元件时，为预防各电池电压不稳定所带来TVS误导通的风险，会选择更高VRWM 的TVS以预留电压余裕。但是更高VRWM的方案即代表更高VBD (崩溃电压)及Vclamp(箝制电压)的表现，在规格设计上如何同时具备操作电压余裕及良好的TVS箝制电压，亦常常使工程师陷入两难。 

最后则是TVS的方向性，因Battery Power Rail上为直流电压，理想上会选择单向TVS即能带来更快的负向导通速度及更好的负向箝制电压。然而，早期电子产品于产线大量生产时偶然会遭遇0201小封装元件SMT上件贴反的困扰，而迫使工程师于设计时妥协采用双向TVS以避免该风险。也因为此发展趋势，目前市面上0201小封装TVS元件仍以双向元件主导市场。而近年小封装元件渐成市场主流，以及如0201小封装Schottky Diode需求的迫使之下，SMT量产技术日渐成熟，在PCB板上的方向性记号以及IC卷带与IC单体Marking标示的多重辅助之下，渐渐已克服小封装组件于SMT方向性的困扰。许多工程师在选择TVS for Battery Power Rail时，即便是0201小封装，仍坚持采用单向组件以提供最佳的保护效果。
 

图二：单向TVS的优势 --- Optimized Negative Clamping Voltage

兹整理ESD/Surge Protection Device for Battery Power Rail设计重点如下：

 

Characteristic	Description
VRWM	A little higher than voltage of power rail for safety margin
Directivity	Uni-directional for optimized negative clamping voltage
Leakage Current	Low leakage current for low power consumption
ESD Clamping Voltage	Low clamping voltage for efficient protection
Surge Ipp (8/20µs)	High Surge robustness for low field return rate
ESD IEC61000-4-2	High ESD robustness for most of strict test criteria
Package Size	Small package for compact device

 

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

综合上述，晶焱科技为Battery Power Rail应用设计开发合适的TVS Solution --- AZ5A16-01M，规格简介如下：

‧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不仅可提供4.5V、5V等Battery Power Rail良好的电压余裕，同时更具备低逆向漏电特性以提供产品具备更佳的电池续航能力。而在享有此两点优势的同时，虽然具备较高的VRWM特性，却仍未在箝制电压特性上有所牺牲。AZ5A16-01M与目前市面上0201单向5V – 6V TVS产品相比仍具备更低的箝制电压以提供最佳的保护效果，其单向特性更确保拥有优化的负向保护效果。

 

图三：AZ5A16-01M TLP Diagram --- ESD Clamping Voltage

图四：AZ5A16-01M Surge Clamping Voltage

为提供小型手持式装置更弹性的PCB空间规划，AZ5A16-01M采用MCSP0603P2Y小封装设计，并且为确保产品Battery Power Rail能通过高规格IEC61000-4-5EOS测试，AZ5A16-01M更具备业界最高等级Surge Robustness高达20A (8/20µs)。此规格能帮助工程师于设计时满足小封装及高Surge耐受能力，同时摆脱小PCB空间及高Surge耐受之间的Trade-off烦恼。
 

 

图五：AZ5A16-01M Package & Pin Configuration

最后，AZ5A16-01M采用MCSP特殊封装设计，虽与传统CSP封装同属Wafer-level Package，MCSP封装则更具备六面Coating层保护以提供更强的封装结构以及SMT上板推力能力，使AZ5A16-01M能在具备小封装优势的同时仍能满足品牌厂严格的SMT Push Strength Test测试规格。 

 

图六：MCSP封装结构

由于AZ5A16-01M针对Battery Power Rail所需的各项规格而量身订作的特殊设计，能提供市场上愈来越多的IoT穿戴式产品更强的系统级ESD耐受能力，以及避免产品遭受EOS破坏而导致的不良返修，并同时能兼顾良好的电池续航力与Compact Device之PCB设计需求，借此解决产品设计工程师们于设计时可能遇到的两难处境，加快产品导入市场的时程。

审核编辑 黄昊宇