传输界面往高速化、高输出电压发展 保护元件同步升级规格

图为具63V、75V高压保护PTC SMD元件。AVX

在众多被动元件中，保护元件占相当重要的一块，尤其是当电子产品外接界面传输速度越来越快、电能输出越来越高，保护元件若在功能未能到位，势必影响电子设备的耐用度…

与一般元件一样，保护元件也有分成主动式与被动式，目前常用之保护元件仍以被动式设计为主，例如，针对过电流保护需求设计的保护元件，其功能近似保险丝，但运作型式与一般保险丝或无熔丝保护开关一样，也能再细分成一次性与多次性的保护元件。一次性保护元件即发生过电流问题时该元件完成保护程序后在线路恢复正常时，保护元件无法恢复原有保护功能；多次性的保护元件则可在发挥保护效用后，还可恢复原有元件特性，在下一次电路出现问题进行多次保护设计。

电子产品功耗持续探底  低功率、低电流保护元件需求增

由于电子产品设计趋势为朝向环保设计，产品功耗要求高，电子设备本身的耗电量降低，因此低功率、低电流的保护元件需求较高，一般保险丝的电路保护机制多为利用电流原理之焦尔定律，即当电路内的金属导电材质，在经过电流转换成热量的过程，只要线路出现过载电流导致线路出现高温，即由电流电能转换成热量进而融断线路，保护后端电子元件、高单价运算芯片不受瞬间高额电流影响而产生故障或烧毁，这也是一般一次性保护元件的应用型态。

而在电子产品数据传输、界面效能规格逐年翻扬，例如，以往常见的USB 2.0界面转换至USB 3.0界面标准，就有近10倍的效能提升，另举凡IEEE1394往Thunderbolt新高速传输界面升级、VGA Port改以HDMI/Display Port等整合高画质影音传输界面取代，虽然也会带来数倍的数据传输效能倍增式的提升，但面对高速传输界面保护设计，数据界面不但需达到低电容值/高度保护的ESD(Electro-Static discharge)保护效果外，相关保护元件的性能要求也随着电子产品性能提升也需要同步升级。

ESD问题影响设备耐用度

尤其是当产品投入应用市场，供终端用户使用时，用户本身所带的静电效应在天候乾燥的地区尤其会凸显电子产品ESD保护的重要性！因为天候乾燥区域的静电问题更加严峻，ESD往往会致使电子设备出现损坏，例如，当用户手持USBU盘或是高速数据传输界面，身体接触连接埠或传输线终端，身体与环境的瞬间ESD现象就会透过连接器、传输线传入设备，导致传输界面芯片或式周边电路故障、损坏。

而静电ESD产生的损害也多分为隐性与显性两种状态，设备的ESD隐性损坏虽在产品的外观样貌看不出何处故障，但实际上电子设备可能已在接触第一波ESD高额电流冲击时已导致部分线路或元件故障，或使得关键元件变得更为脆弱，再用户设备再次遭遇ESD或是过电压等环境条件时，设备更容易因此出现故障问题。至于显性的ESD故障，即ESD影响直接造成关键零组件损坏，导致产品直接呈现无法使用状态。

针对过电流/高温保护  PPTC元件可发挥电路保护综效

先前也提过，ESD产生的问题，可能会因为高额电流在零组件产生高温导致设备损坏，也可能是高额电压导致设备零件过电压、打穿半导体结构，导致关键零组件出现损坏。而电子设备的防护设计，可从降低核心元件传导干扰、辐射干扰两种不同方向着手改善。例如，在高速传输界面(如USB、IEEE1394、网络界面、HDMI、天线界面、SIM卡界面…等)增设ESD防护元件，提升高速界面抵御外部线路问题的耐受能力。而除了电流方面的保护需关注细节外，其实温度方面保护也不能马虎，目前常用于电路运作安全温度保护方面的保护元件，主要有NTC(Negative Temperature Coefficient)、PTC(Positive Temperature Coefficient)、PPTC(Polymeric Positive Temperature Coefficient)与TCO(Thermal cutoff)等，其中NTC、PTC为负温度系数与正温度系数的保护元件，也是俗称的热敏电阻，PPTC核心为高分子材料与导电颗粒制成。

检视较特别的PPTC元件，其实应用功能则为多次型的保险丝概念元件，PPTC的核心为由高分子材料搭配导电颗粒制作而成，在两端利用镍制成电极，元件外部再搭配树脂封装或是塑料薄膜包装。PPTC在低温状态下聚合物的结晶之间的导电粒子形成导通状态，而当电流增加所导致的高温问题，环境温度会导致聚合物体积产生膨胀，聚合物自结晶状态转变为非结晶状态时，导电粒子形成的导电连接导致断裂而产生线路不导通(绝缘)，相对达到线路过温保护效果。

一般电路正常状况下，PPTC元件在正常电流传输时元件会呈现低电阻状态，电阻值会在数毫欧姆至数欧姆之间，而当电流瞬间增加、元件温度提升，PPTC保护机制作用时可在短时间使电阻值急遽升高、进一步保护后段电路安全，而在线路高电流与PPTC元件的温度下降时，PPTC元件会恢复低电阻状态，原有电路也会呈现正常运作状态。而使用PPTC应用于多次性保护应用时，这种电路恢复正常元件即自动转成正常导通状态、当线路出现异常元件也发挥高阻抗/断路状态，优异的可恢复元件状态特性，也能达到极佳的电路保护效果。

压敏电阻更不上新设计需求  TVS元件低电容、快速反应胜出

早期保护元件碍于成本，会选择使用压敏电阻这类元件，压敏电阻主要是利用陶瓷薄膜技术进行制作，有价格便宜、广泛用于电子电路设计等元件使用优势，但压敏电阻对于外部升压的反应速度有限，也让压敏电阻的保护效果因此打折扣。随着电子产品的保护等级持续提升，电子产品的设计复杂度提升，对于电路的突发升压保护电路反应速度不够快，即便关键电路设有压敏电阻报护，但保护元件反应速度不够快也可能导致精密矽芯片暴露在危险工作条件之中。

因应压敏电阻无法处理高速反映的保护效用，取而代之的是采取瞬态电压抑制(Transient Voltage Suppressors；TVS)保护元件设计的电路保护处理，这类保护元件为利用半导体技术整合，可以达到更快速、更安全的瞬间高压保护效果，更符合系统开发业者更高端的电路保护要求。

因应新一代信息产品的各种电路保护需求，除高速化的数据传输界面需要更高的ESD防护能力外，同时对于界面的负载电容也必须压低至1pF甚至0.5pF以下表现，同时还需要达到满足低箝位电压的表现，制作难度相当高，对保护元件厂商来说形成新的产品技术门槛。同时在新一代TVS保护元件，同样因应高速界面的使用需求，新一代产品也被要求需达到超低电容的应用方案，因应速度倍翻、甚至数十倍速度提升的高速数据传输界面保护设计应用需求，以TVS保护元件方案来看，已有低于0.02pF甚至更低电容值的保护元件产品推出，因应新一代高速界面的保护需求。