物联网装置之突波检测与防制

(图一) IoT系统受到的暂态突波冲击之电性破坏型式。

物联网(Internet of Things；IoT)已使电子与信息的结合再进一步的深入了人类生活，甚至产生了许多生活模式的质变。许多的生活信息在经过运算后，形成人类生活改善的指标。

而其中信息的收集、处理，则需要应用到许多不同种类的电子设备来做接收及发送的功能，小可以到简单的人体内或外的传感器，大可以到公共交通建设、运输系统的应用。因此物联网的电子器件，已经不再是单纯的消费型电子产品，它的可靠性需要有更多层面的考量。

对于暂态突波(Transition Electrical Pulses)所引发的故障行为如：静电放电(Electrostatic Discharge；ESD)、雷击浪涌(Surge)，以及过电压(Over Voltage)使用，在真实的环境中，还有多种的组合，如图一的示意。这些突波特性在各国际规范中多数都有相对应的测试验证方法。但是消费电子很少将这些经过突波验证的产品，再次拿去做使用年限的可靠度验证。

其中验证后虽然产品功能看似正常，但有时电子器件内部的材料却已经有受损，例如：集成电路内部的金属中发生了电迁移(Electromigration；EM)现象，或是氧化层在巨大突波下许多不同型式(Hot Carrier、Traps、Defect、Break-down等)的可靠度问题，就会使得集成电路产品的使用年限降低，这在安全类的物联网产品是不被允许的。

出现故障的现象则分为两类，一是电性破坏，包含了静电放电及电性过压(Electrical Over-stress；EOS)的破坏(Class D)；另一类则是功能失效，其中又分为暂态的失效(Class B)，以及必须重新启动系统的失效(Class C)。依照产品应用的不同，各电子产品所要求的等级会有所不同。而安全的产品防护设计，分别会有集成电路内部及系统中的两阶段防护设计，在相互搭配下才是完美的设计组合。

物联网电子器件多做为大量信息的传输，其传送信号的天线、传输线，或是传感器本体，都有机会遇到上述的突波，如图一左所示。系统中所设计的防护功能，分为两类的设计型式：一是安全放电，另一则是箝制电位。安全放电是将大量的暂态能量通过一个安全的路径排放到地，以避免过大能量直接进入系统中的功能性芯片。

而箝制电位的功能则是要能够将进入系统的突波能量所造成的过大电压箝制住，以避免功能性芯片进入逻辑无法判读的模式，以降低芯片读写异常的机会。

在电源上的防护，会用具有箝制电位功能的瞬时电压抑制器(Transient-Voltage-Suppression；TVS)或齐纳(Zener)二极管，在极低电压(<3.3V)的应用下，特别会使用半导体制程设计的TVS元件；接口信号或是特别控制信号的防护，则多只会选用以半导体制程设计的TVS元件。

这些防护元件的选用，及放置位置会有许多不同的专业考量。晶焱科技就提供了多种类的TVS元件以及专业的设计协助服务。(本文由晶焱科技陈东阳博士提供，尤嘉禾整理)