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2024-04-15
來源：英飛凌官方微信
本文作者：李丹丹
英飛凌電源與傳感系統事業部
系統級靜電防護在新一代電子產品上越來越重要，快速發展中的新興的應用也需要防護能力更強的方案。英飛凌在 TVS 產品上持續投入研發，提供一系列更低鉗位元電壓、更低容值以及更廣工作電壓的產品。
英飛凌的 TVS 產品主要為 WLCSP 封裝，致力於提供高品質、高產能、高性價比的產品。封裝大小主要為 0201（0.58 x 0.28 x 0.15 mm³）以及 01005（0.43 x 0.23 x 0.15 mm³），助力產品小型化設計。
英飛凌的低容 TVS 產品聚焦於 USB 高速介面靜電防護以及天線靜電防護，高容產品聚焦於電源靜電防護。點擊此處，獲取規格書以及模擬檔。
以下將根據英飛凌 TVS 產品聚焦的應用，分別介紹幾類 TVS 產品的特點。
1 英飛凌 USB 靜電防護 TVS 產品
USB 的全稱為 Universal Serial Bus 通用序列匯流排，是一種用於傳輸功率以及資料的工業標準，廣泛應用於手機、電腦、鍵盤、相機等資訊通訊產品。
到 2023 年為止，USB 包含四種規格，USB1.x、USB2.0、 USB3.x 以及 USB4。目前手機、筆記型電腦中通用的介面類別型為 USB type-C，支援 USB2.0、USB3.x 以及 USB4。
以下圖 1 為 type-C 插座介面定義，包含四對高速資料線（Tx/Rx）、兩對低速資料線（D+/D-）、一對 SBU、兩路 CC 以及四路 Vbus/GND，對稱的設計使得 type-C 可以實現正反插功能。
USB 高速介面通信速率如下圖 2 所示：
由於 TVS 本體寄生電容的影響，TVS 在實現靜電防護的同時，也會削弱有用信號，即所謂信號衰減。通信速率越高，對應的頻域基波頻率越高，信號衰減越強。當信號衰減超出晶片補償能力時，信號失真會加大誤碼率/誤串列傳輸速率，從而導致通信品質降低，用戶體驗受到影響。
寄生電容越小，對信號的衰減越低，所以高速信號靜電防護，需要 TVS 容值越低越好。英飛凌開發了一系列針對 USB 高速信號靜電防護的器件，可以滿足不同速率信號線的需求。
以下為英飛凌幾款已經量產且針對 USB 高速資料線防護的TVS產品，請參考圖 3：
這幾款產品均為深回擺器件，可以提供極低的鉗位元電壓。其中，ESD151-B1-W0201 容值最低、插損最小，如下圖 4 為插損資料，0.26dB typ.@10GHz：
另外，對於 USB 高速差分數據線防護，英飛凌還提供了單顆可用於雙線防護的產品 ESD155-B2-W0201，封裝為 0201（0.58 x 0.28 x 0.15 mm³），如下圖 5 為埠定義：
ESD155 降低了布板空間，三個埠的設計便於差分信號佈線，助力產品緊湊型設計。同時，ESD155 的插損可實現 0.6dB typ.@10GHz，如下圖 6 所示：
除以上已量產器件，英飛凌還有更多低插損特性的靜電防護 TVS 即將量產，對於插損、擊穿電壓、靜電防護能力等，各自均有不同程度的提升及優化，可以滿足各種終端對於 USB 高速介面的防護需求。
2 英飛凌天線防護 TVS 產品
蜂窩、藍牙、WIFI、GNSS 等無線傳輸的通信信號是通過天線傳輸到空氣中的，天線是連接終端與其他通信設備的介面。靜電是否會通過終端外部介面或者縫隙進入到天線以及內部射頻通路，取決於各個終端結構設計。
為了防止靜電造成射頻器件損傷，天線調諧開關、射頻電路最前端、PA 或者開關等器件旁邊，都有可能會增加 TVS 產品來保護薄弱器件。如下圖 7 為 TVS 產品可能的防護位置：
對於天線防護 TVS 器件的選取，一般要綜合工作電壓、鉗位元電壓、峰值電壓、諧波、插損等來選取合適的器件。
2.1 工作電壓的選取
天線與 USB 高速信號防護不同點在於，天線防護 TVS 可能需要更高的工作電壓。由於天線為阻抗變換器件，各個位置阻抗不同，電壓也不同，各個位置電壓值需要精確模擬得到。我們以 50Ω 射頻電路為例，計算不同單音信號功率對應的峰值電壓值，如下圖 8 所示：
從以上資料得知，在理想無反射情況下，20dBm 功率的峰值電壓為 3.16V 以下，選取工作電壓為 3.3V 或者 5.5V 的 TVS 產品即可滿足工作需求。此功率範圍對應的典型無線通訊方式為 GNSS、藍牙。蜂窩通信系統的發射功率要高的多，一般要考慮 GSM900 典型功率 33dBm，甚至 35dBm；對於 NR 5G 信號，需要考慮到 PC2 26dBm 均值功率以及系統峰均比，來計算峰值電壓。
英飛凌的天線 TVS 防護器件，分為低壓和高壓兩種。
以下為低壓推薦的兩款已量產器件：
以下為高壓推薦的已量產器件：
2.2 鉗位元電壓、峰值電壓
射頻器件相對 USB 晶片通常可以承受更高的電壓，但是根據 IEC61000-4-2 標準，使用靜電槍測試時，較高的暫態峰值電壓仍然可能導致器件損傷。
ESD106 相比 ESD111，峰值電壓更低。在 IEC61000-4-2 8kV 測試條件下，ESD111 暫態峰值電壓為 299V，ESD106 的暫態峰值電壓為 86V，如下圖 11、圖 12 所示：
2.3 諧波要求
雜散是每個無線通訊系統設計時必須滿足的法規標準，一般在 1GHz 以上，3GPP 傳導雜散要求為 -30dBm，當然，在某些共存場景，雜散要求更高；另外，還需要考慮RSE指標以及對應的認證標準，在此不詳細討論。
ESD111 具有非常出色的諧波性能，如下圖 13 所示，為 900MHz 頻率在不同輸入功率單音信號下的諧波表現：
ESD111 在單音信號 20dBm 時，三次諧波典型值為 -70dBm；ESD106 諧波數據雖略遜色於 ESD111，但在單音信號 20dBm 時，仍可達到 -52dBm，有非常大裕量。
USB 部分介紹到的 ESD151 這顆器件，諧波資料也非常優秀，介於 ESD106 和 ESD111 之間，可以提供更低的鉗位元電壓，缺點是靜電防護能力稍弱一些。
2.4 插損要求
對於手機、電腦等通信設備來說，常用的通信頻率是在 600MHz~7.125GHz，同樣要求 TVS 器件造成的信號衰減越低越好，需要低容 TVS 產品。
以下為 ESD106 和 ESD111 插損資料，7GHz 頻率時分別為 0.2dB 以及 0.3dB 左右的插損.如圖 14 所示：
在實際系統中，可根據對各個參數的不同要求，選取最合適的器件應用。
上述幾款產品只是英飛凌天線靜電防護 TVS 的一部分典型器件，還有更多低容、低鉗位元電壓可用於天線防護的 TVS 產品已量產或即將量產，如有需求，可在英飛凌社區諮詢。
3 英飛凌通用 TVS 產品
英飛凌的通用 TVS 產品泛指容值在 1pF 以上的 TVS 產品，每款產品均有各自的特點，以下介紹幾款通用的產品。
3.1 英飛凌通用低鉗位元電壓 TVS 產品
如下幾款產品具有極低的鉗位元電壓，靜電防護能力均在 15kV 及以上，其中，ESD231 靜電防護能力可達到 30kV，浪湧防護能力可達到 12A，可滿足大部分場景需求。
3.2 英飛凌通用低諧波產品
通用防護 TVS 產品，由於容值較大，不會應用在射頻通路上，一般不用考慮諧波性能。但是當 TVS 應用在天線輻射區域時，輻射功率會通過空口耦合到 TVS 產品線路上，仍可能會產生雜散信號，導致 RSE 超標。
ESD249 以及 ESD259 即根據此場景開發的物料，在接收到一定輻射功率時，本體產生的雜散較低，不會影響到系統性能。
3.3 英飛凌通用高工作電壓產品
在某些場景下，需要高壓 TVS 產品，比如 USB type-C 快充，英飛凌提供部分高壓產品可供選用。
英飛凌還有其他更為豐富的 TVS 產品，比如單向 TVS 可提供更低正向鉗位元電壓、具有 EMI 濾波功能的 TVS 管，如有需求請點擊此處，訪問英飛凌官網查詢或英飛凌社區查看。
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