穿戴式装置充电信号输出入接口之保护设计
- 尤嘉禾
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个人电子产品发展的主流，从早先的个人电脑(PC)和笔记本电脑(NB)等定义为信息类电子产品开始，乃至提供便利通讯和信息取得的智能手机(SmartPhone)和平板电脑(Tablet)等消费性电子产品以来，可以看出电子产品对人类生活的渗透率一直在增加。
随着继之而起的穿戴式装置自提出以来，发展速度一日千里，短短数年来，包含针对大众消费者的「智能手表」、「智能手环」和「穿戴式摄影机」，如雨后春笋般的蓬勃推出，这些穿戴式产品一方面解决消费者与电子产品之间的距离问题，另一方面，随着众多电子产业重量级的品牌厂商争相开发相关产品，也吸引了大众对穿戴式装置未来发展应用的更高度期待。
目前市场上主流的穿戴式产品，主要还是以提供消费者更便利易得的信息通知，或是采集消费者的身体机能参数，如记录运动时身体的心跳或定位使用，随着在物联网(IoT)等云端(Cloud)大数据(Big Data)的发展加持之下，穿戴式装置的应用将担任其中采集重要前端数据的重责大任，未来穿戴式装置的功能需求将有增无减。
而目前主要应用于游戏的虚拟实境头戴式显示器(HMD)，未来也被看好在新应用和成本下降下，成为消费性穿戴式产品主流。也因为穿戴式产品的未来应用有着无限可能，目前也吸引了为数众多的IC设计大厂投入发展各种穿戴式应用开发平台，希冀藉着应用开发者的想像力和创造力，将穿戴式产品的发展带入引领下一波电子产业成长的重要领域。
穿戴式产品的功能将越趋多样及复杂，其中肩负信号沟通和充电需求的接口选择将成一大考量，目前USB Type C界面由于具有微小空间特性，支持正反插特色，整合高速数据和高解析影像信号传输，尤其在电源部分提供了电源传输(USB PD)最高100W的功能，USB Type C界面已成为最被看好能进入穿戴式主流输出入接口的应用方案。
USB Type C接口在产业的渗透率，自从Apple Mac Book采用以来，目前包含个人电脑的主机板(MB)，笔记本电脑(NB)和智能手机，其最新产品开发都已将USB Type C选为主要接口之一，这其中也是得力于电脑芯片大厂Intel的大力推动支持，引领产业界进行了一波USB新接口的文艺复兴时代，因此穿戴式装置自无法排除于这股潮流之外，USB Type C接口可完美的用一线连接来解决复杂的高速数据和电源传输需求，因此也被期待着成为统一的穿戴式装置和其他电子产品的互连选择。
随着穿戴式装置的各种应用开发，其所处的操作环境将可能非常严酷，也由于穿戴式装置要更频繁的与人接触和进行信号传输和充电需求，其所遭遇的暂态突波(Transient)冲击，如来自人体和缆线的静电放电(ESD)，或是高电流高电压充电所易造成的电气过载(EOS)事件将更加繁复和严苛。因此穿戴式装置的可靠度设计将成为重要的考量，特别是在USB Type C接口的静电放电(ESD)和电气过载(EOS)保护设计，必须审慎为之。
USB Type C接口挟其高整合度和便利的正反插特性，其连接器共有24针脚(pin)各具不同功能要求，为满足如此多的针脚(pin)保护，若采用传统的单通道保护元件，则其所占比的巨大印刷电路板(PCB)空间和高物料清单成本(BOM Cost)，将会使得穿戴式装置显得更加笨重，这无利于穿戴式产品必须让使用者觉得异物感不存在的特性要求，因此在穿戴式装置的USB Type C接口最适合的信号保护元件封装选择，必须以多通道(Multi Channel)的暂态电压抑制器(TVS Array)为主，TVS Array除具有多通道整合可节省占比印刷电路板(PCB)的空间外，其具有的成本优势也是主要特色，可进一步降低穿戴式产品的价格来达到快速突破进入消费性市场的价格障碍。
而针对USB PD电源传输充放电部分，考量其充电电压可能从5V/12V/20V等不同模式，且其电流最高可达5A，USB Type C负责电源传输充电的VBUS针脚建议独立使用针对电气过载(EOS)保护元件，电气过载突波时间长度远高于静电放电，在电源充放电传输时将易于发生而导致严重的电子设备烧毁事件，就如目前主流的智能手机常听说在充电时发生自燃爆炸情况，电气过载(EOS)是主要的原因之一，因此现在具知名度的大型智能手机厂商都会在充电电源接口进行电气过载(EOS)保护设计和规范测试，目前主要的电气过载(EOS)测试规范为参照IEC61000-4-5电压波形1.2/50us和电流波形8/20us为主。
晶焱科技秉持数十年专精于电子防护元件设计技术，利用自我专利开发出适用于穿戴式USB Type C接口应用的8通道TVS Array保护元件AZ1043-08F。其空间大小不仅只有3.8mm x 1.0 mm，且其高度更只有0.5mm，非常适合于穿戴式装置所要求的轻薄短小元件要求，可进一步降低穿戴式装置对消费者产生的异物感。
在元件特性上，8通道的AZ1043-08F其所具有的信号对地电容为0.5pF，而影响信号抖动(Jitter)最重要的串扰电容(crosstalk capacitance)更只有0.04pF，因此可适应于USB Type C的高速信号应用。在保护性能上，AZ1043-08F除符合静电放电规格IEC61000-4-2接触12kV和空气15kV的测试要求，针对电气过载的IEC61000-4-5亦具有5A保护耐受等级。
而箝位电压特性表现，在标准的传输线波形产生器(TLP)的量测下，于17A传输线波形电流下也仅具有9V箝位电压，因此可有效保护后端先进制程控制IC，轻易通过最严苛的直接针脚注入静电放电测试(Direct Pin Injection ESD Test)。
另一针对USB Type C充电电源的VBUS针脚，晶焱科技则推出了一系列DFN1610封装的AZ3105-01F/AZ4512-01F/AZ4520-01F，以因应5V/12V/20V电源传输(PD)的不同电压需求。DFN1610封装其长宽高虽然只有1.6mm x 1.0mm x 0.5mm，但是其超群的静电放电效能皆可达IEC61000-4-2所规范最严格的接触30kV/空气30kV等级，且其电气过载耐受特性最高可达IEC61000-4-5 80A，因此可提供USB Type C充电接口最完善的ESD/EOS保护。 (本文由晶焱科技设计研发部李健铭经理提供，尤嘉禾整理)
