專為手持式電池電源軌設(shè)計(jì)的 ESD浪涌保護(hù)解決方案

手持電子中PCB的設(shè)計(jì)趨勢——越來越小

物聯(lián)網(wǎng)為我們的日常生活帶來了額外的便利。為了使電子產(chǎn)品更易于攜帶和使用，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師一直在接受挑戰(zhàn)，以在更小的 PCB 空間和更高的電子電路集成密度上為設(shè)備生產(chǎn)更多的功能。我們?nèi)粘？吹降氖謾C(jī)、智能穿戴、無線耳機(jī)、電子煙甚至AR護(hù)目鏡都被大家津津樂道，小尺寸0201封裝是電子PCB設(shè)計(jì)的主流。更重要的是，具有更高集成密度的系統(tǒng)級封裝 (SiP) 并非聞所未聞。

電池電源軌的 ESD/浪涌保護(hù)需求

每次我們打開電子產(chǎn)品的電源時(shí)，電池電源軌上經(jīng)常會出現(xiàn)電源尖峰。或者，如果用戶正在更換電池，電子產(chǎn)品的電池電源導(dǎo)軌將面臨靜電干擾或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。這就是為什么產(chǎn)品研發(fā)工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)不斷努力提供適當(dāng)?shù)睦擞勘Ｗo(hù)(ESD、浪涌尖峰)以提高產(chǎn)品可靠性。為此，在產(chǎn)品工程階段進(jìn)行了IEC61000-4-2的靜電保護(hù)測試和IEC61000-4-5的浪涌測試，引入了苛刻的浪涌條件進(jìn)行模擬，以確保產(chǎn)品能夠很好地應(yīng)對可以在用戶使用產(chǎn)品的環(huán)境中扔給它。

電子商務(wù)正在應(yīng)對來自世界各地各種氣候和環(huán)境的挑戰(zhàn)

B品牌制造商都引入了嚴(yán)格的測試條件來模擬各種用戶環(huán)境中可能出現(xiàn)的浪涌類型，以使全球銷售的電子產(chǎn)品適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?。例如，如果手機(jī)產(chǎn)品在氣候干燥或電源有些不穩(wěn)定的環(huán)境中銷售，通常會考慮它。因此，產(chǎn)品驗(yàn)證時(shí)對電池電源軌和USB充電器V BUS進(jìn)行IEC61000-4-5嚴(yán)格的浪涌測試，以防止產(chǎn)品在環(huán)境惡劣的地區(qū)過度返修。為了通過高級別 IEC61000-4-5 測試，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師通常選擇將 TVS 放置在電池電源軌上和 USB 充電器 V BUS，因此 ESD 和浪涌尖峰在它們進(jìn)來的那一刻就被 TVS 阻止。但是，考慮到手持電子產(chǎn)品的 PCB 尺寸有限，市場上的小封裝 TVS 元件往往無法承受高浪涌電流，因?yàn)榈侥＞叱叽绲南拗啤榇?，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師不得不選擇更大封裝的 TVS 元件以通過過大的電應(yīng)力測試，這意味著他們必須在產(chǎn)品 PCB 尺寸和高 ESD/浪涌魯棒性之間做出選擇。這些可憐的工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中為如何以盡可能小的 PCB 面積實(shí)現(xiàn)高 ESD/浪涌魯棒性而絞盡腦汁。

電池電源軌的ESD/浪涌保護(hù)裝置---設(shè)計(jì)場景

理想的電池電源軌 TVS 必須具有較高的浪涌耐受電流，而漏電流是電子產(chǎn)品降低功耗以延長電池壽命的重要指標(biāo)。除了 TVS 本身的魯棒性和漏電流之外，鉗位電壓是 TVS 的另一個(gè)重要參數(shù)。選擇 TVS 的首要任務(wù)是確保鉗位電壓足夠低，以便 TVS 發(fā)揮最佳保護(hù)作用。這消除了被保護(hù)的主芯片仍然被靜電沖擊損壞的可能性，而TVS即使沒有損壞也失去了作為ESD保護(hù)元件的功能。

很多工程師在為電池供電軌選擇 TVS 時(shí)，會選擇具有更大 V RWM的 TVS 以獲得額外的電壓冗余，以防止由于電池電壓不穩(wěn)定而導(dǎo)致 TVS 誤導(dǎo)的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，更大的 V RWM意味著在 V BD(擊穿電壓)和 V鉗位(鉗位電壓)方面的性能更好。在進(jìn)行規(guī)格設(shè)計(jì)時(shí)，工程師經(jīng)常會陷入兩難境地，即電壓冗余充足，而 TVS 鉗位電壓良好。

最后但并非最不重要的是 TVS 的方向性。理想情況下，首選單向 TVS，因?yàn)樗鼛砀斓呢?fù)導(dǎo)通速率和更好的負(fù)鉗位電壓，因?yàn)樗请姵仉娫窜壣系闹绷麟妷?。然而，早期的電子產(chǎn)品偶爾會受到小封裝 0201 元件大規(guī)模反向安裝的困擾，這迫使工程師在設(shè)計(jì)階段不得不妥協(xié)于雙向 TVS 以防止這種風(fēng)險(xiǎn)。也因?yàn)檫@種發(fā)展，雙向元件仍然是市場上占主導(dǎo)地位的小封裝0201 TVS元件。盡管如此，隨著近年來小封裝元件占據(jù)中心位置，對 0201 小封裝肖特基二極管的需求非常迫切，SMT量產(chǎn)技術(shù)日趨成熟，小封裝元件在SMT方向性方面的困擾，由于PCB上的方向性標(biāo)記以及IC膠帶和IC單元上的標(biāo)記，逐漸被克服。在為電池供電軌選擇 TVS 時(shí)，許多工程師堅(jiān)持使用單向元件以獲得最佳保護(hù)，即使它們是 0201 小封裝元件。

下表提供了用于電池電源軌的 ESD/浪涌保護(hù)器件的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

特征描述

VRWM _略高于電源軌電壓以確保安全裕度

方向性單向優(yōu)化負(fù)鉗位電壓

漏電流低漏電流，低功耗

ESD鉗位電壓低鉗位電壓提供有效保護(hù)

浪涌 Ipp (8/20μs)低場返回率的高浪涌魯棒性

ESD IEC61000-4-2高 ESD 穩(wěn)健性，適用于大多數(shù)嚴(yán)格的測試標(biāo)準(zhǔn)

包裝尺寸緊湊型設(shè)備的小封裝

電池電源軌的驚人優(yōu)化 ESD 保護(hù)解決方案 --- AZ5A16-01M

綜上所述，Amazing Microelectronic 針對電池電源導(dǎo)軌設(shè)計(jì)提出了完美的 TVS 解決方案——AZ5A16-01M，具有以下特點(diǎn)：

?封裝：MCSP0603P2Y (0201)

?方向性：單向

?反向關(guān)斷電壓：6V

?ESD 8kV 鉗位電壓：9V

?系統(tǒng)級ESD魯棒性(IEC61000-4-2)：30kV

?浪涌 Ipp (8/20μs): 20A

?反向漏電流：< 100nA

AZ5A16-01M不僅為電池供電軌提供良好的 4.5V 和 5V 電壓冗余，而且還具有低反向負(fù)漏電流的特點(diǎn)，可延長產(chǎn)品的電池壽命。盡管具有上述兩者，但盡管 V RWM較高，但在鉗位電壓方面沒有進(jìn)行權(quán)衡。與 0201 單向 5V - 6V TVS 產(chǎn)品相比，AZ5A16-01M 具有最低的鉗位電壓，可提供最大的保護(hù)。其單向特性確保優(yōu)化的負(fù)保護(hù)。

AZ5A16-01M 采用小封裝 MCSP0603P2Y 設(shè)計(jì)，為小型手持設(shè)備提供更靈活的 PCB 空間布置，并配備業(yè)界最高的 20A (8/20μs) 浪涌魯棒性，以確保產(chǎn)品的電池電源軌通過IEC61000-4-5 浪涌測試。這有助于工程師同時(shí)滿足小封裝和極端浪涌魯棒性的需求，從而消除了小 PCB 空間和高浪涌魯棒性之間的權(quán)衡。

最后，AZ5A16-01M采用了特殊的MCSP封裝設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)CSP封裝類似的晶圓級封裝，MCSP采用6面保護(hù)涂層，封裝架構(gòu)更強(qiáng)，SMT推力更強(qiáng)，幫助AZ5A16-01M通過眾多廠商要求的嚴(yán)格SMT推力測試，同時(shí)保持優(yōu)異的成績小包裝的優(yōu)勢。

得益于專為電池供電軌需求量身定制的設(shè)計(jì)，AZ5A16-01M為市場上越來越多的 IoT 可穿戴設(shè)備提供了更高的系統(tǒng)級 ESD 穩(wěn)健性，同時(shí)避免了在過去由于 EOS 損壞，更不用說滿足對良好電池壽命和 PCB 設(shè)計(jì)的緊湊設(shè)計(jì)的需求。這解決了工程師在設(shè)計(jì)階段可能面臨的困境，同時(shí)加快了產(chǎn)品推向市場的進(jìn)度。