高密度、小型化电子设备之ESD保护设计方案
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电子产品体积小型化，已是目前无法回避的设计方向，但小型化同时也代表着载板面积有限、元器件必须考量以更高整合度的应用方案取代，而一般针对ESD保护较高的元器件，其体积也相对较大，如何在小型化与设备安全间取得折衷设计方案，成为产品设计必须正视的问题...
ESD(Electrostatic Discharge)问题，对于小型化的设备来说，有相当重要的指标意义，尤其是高复杂度的设备，即易因ESD的短暂作用而使关键芯片受到损坏，若能在设备加入更多ESD改善设计，将可使设备的耐用度与寿命增加，同时避免故障返修造成的成本问题。
而新的电子设备在重点连接界面越来越多元，如mini HDMI、Micro USB、RJ-45...等高速界面，在使用接脚不亚于标准界面，同时也形成ESD问题导入设备的常见管道，以下将介绍以TVS(Transient Voltage Suppresser)二极管方案(暂态电压抑制器)防止ESD问题凿穿关键应用芯片，透过设置TVS改善设备或芯片对凿穿电压？电流的对应强度，同时讨论针对移动设备、消费性电子的设计典型应用案例。
小型化设计方案 更须重视ESD设计
在时尚流行趋势的推波助澜下，电子设备趋向采取更轻、更薄、效能更佳等应用设计。为达到上述产品开发目的，设备必须使用更小型化设计的元器件方案，但小型化元器件本身也会因为材料限制，使得原有因应外部ESD问题能力受到影响，如为了缩小载板面积采用高密度多层板、更细窄的线路布设、应用更高晶体管密度之整合芯片，都会造成ESD问题呈倍数呈现。只要设计方案为了节省体积而缩减ESD防护等级，便会让外部ESD问题造成电子电路之影响扩大。
在进行电子电路之ESD防护设计，必须理解ESD保护的方法。一般为电路保护目的开发的整合元件，所能因应的问题条件也不同，设计时必须了解关键保护元件的特性与使用情境，例如，在箝位电压元件TVS方面，使用时为专门用来吸收外部ESD发生的能量、同时保护电路系统免受ESD损害内部固态元件，最佳的应用状态为设计方案刚好达到ESD可能产生的安全工作范围。
一般保护元件都是设计来吸收突发、大量外部能量，而元件的设计方案可能会让元件导致具较高箝位电压，或是让保护电路本身的电阻、电容值过高，反而造成无法有效减小ESD问题造成之损害，而TVS元件可以改善阻抗过高与等效电容等关键问题。
选用合宜TVS 需注意元件参数
选用TVS元件仍须考量几个关键参数，而处理瞬间高额脉冲导致元件损坏，最佳的对应方案为将瞬间突波产生的高额电流量、自保护电路中快速旁路引导排除。而TVS可设计于电路与受保护的区块电路并连设计，当ESD产生的外部突波高电流问题时，TVS元件快速形成极低阻抗之电子回路，瞬时将高额电流引导至二极管引开、进而达到保护关键元件之设计目标。
当TVS保护机制作动后，会持续地提供低阻抗引导高额电流保护过程，但当电路中脉冲突波高额电流问题解除后，TVS随即自动转换回原有的高阻抗状态，让整体电路返回正常运作状态。
但观察整个TVS作动条件、保护过程会发现，TVS经过多次保护程序作动后，会在一定的工作限定范围内开始出现元件退化，出现如反应速度趋慢或是回复时间变长等问题，而TVS遭多次高额ESD防护过程后，也可能因为元件退化出现损坏状态。
针对设计方案需求 寻找合宜参数表现元器件
因此我们可以推导，选择TVS的几个关键参考数据，用以评估开发专案导入TVS的料件形式、规格要求。例如，TVS的VBR(最小凿穿电压)、Ir(凿穿电流)等关键数据，其中VBR的规格是以25°C条件下的最小凿穿电压，低于凿穿电压TVS将会呈现高阻抗、无作动状态，但实际元件的作动时机，并非标注参数这麽精准，而是会有小幅的离散程度，如VBR有5%~10%离散差异。
因应IEC61000-4-2国际认证标准，TVS需要达到8kV(接触型ESD)、15kV(空气ESD)之冲击耐受性，虽然认证标准已提供标准，但设计方案若需要针对ESD问题拉高要求标准，也可依需求选择规格更高的TVS元件导入设计。而TVS还须考量Vwm、Vc等于突波抑制能力相关的关键参数，其中Vwm为TVS二极管正常运行状态可承受之外部电压，Vc为最大峰值电压，需妥慎确认才不会让被保护电路暴露在ESD问题风险之下。
针对手持移动设备而言，一般TVS选择Pppm额定脉冲功率时，以元件处于最大截止电压之峰值脉冲电流换算，一般具500W的TVS Pppm就相当够用了。除检视Pppm外，还得确认最大峰值脉冲功耗Pm，而在TVS处于最大箝位电压时，Pm越大代表元件本身可承受的外部突波电流安培数较高，即为可面对之突波电流处理能力表现更佳。
TVS累积脉冲处理 也会影响元件寿命
而TVS元件除电气规格数据外，仍须针对如元件对ESD脉冲出现重复频率问题，因为，若电子电路中出现的ESD脉冲频次过高，在TVS经反覆高频次脉冲后的累积下，也可能因此造成TVS产生功能损伤。
TVS另还有个必须考量的规格重点，即TVS的等效电容，其元件电容值是在元件处于1MHz下进行测定，而电容值的大小与TVS的电流承受能力呈正比，亦即电容越高、耐受电流也就越高，但电容过大将会形成信号衰减，尤其是在界面型态的ESD保护设计中，由于传输界面要求高频数据交换？传输，若TVS的电容值较高会让高速传输速度受到影响，甚至造成信号之噪讯、衰减信号本身的强度...等。
在实际应用TVS时，仍须考量元器件的电容值范围。如在高频、高速应用场合中，应避免使用电容值较高的产品，应以LCTVS低电容TVS产品为应用首选，一般这类低电容设计之TVS其电容值大多低于3pf；但对于速度要求不高、非高速传输回路用之TVS元器件，则可以选择TVS电容值较高的产品，压缩料件成本。
尤其是智能手机、PDA或平板电脑，底部通常会设置多功能传输埠，这类传输埠的接脚数量相当多，多半为采用半外露的设计型态，即让接脚暴露在插槽中，这类ESD防护设计可用SOT封装的TVS保护元件，尤其可在封装选择小体积设计、薄化设计方案，以满足移动设备之应用需求。
另针对视讯、传输线、网络孔(RJ-45)这类设计情境的ESD设计中，就可以采行针对高速数据传输的低电容TVS元件，尤其是现有HDMI、Display Port传输速度大幅提升，必须搭配低电容之LCTVS元件应用，将受保护线路之TVS电容压低至少于3pf或更低。
