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，致力於提供高質量、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高速接口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，獲取規格書以及仿真文件。
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通用串行總線，是一種用於傳輸功率以及數據的工業標準，廣泛應用於手機、電腦、鍵盤、相機等信息通訊產品。
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、筆記本電腦中通用的接口類型為USB type-C，支持USB2.0、USB3.x以及USB4。
以下圖１為type-C插座接口定義，包含四對高速數據線（Tx/Rx）、兩對低速數據線（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。
圖１ USB type-C插座接口埠定義
USB高速接口通信速率如下圖２所示：
圖２ USB不同協議高速接口通信速率
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/誤波特率，從而導致通信質量降低，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。
為英飛凌幾款已經量產且針對USB高速數據線防護的TVS產品，請參考圖３：
圖３ 英飛凌USB高速接口靜電防護TVS產品
這幾款產品均為深回擺器件，可以提供極低的鉗位電壓。其中，ESD151-B1-W0201容值最低、插損最小，如下圖４為插損數據，0.26dB typ.@10GHz：
圖４ ESD151-B1-W0201插損數據
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：
圖５ ESD155-B2-W0201埠定義
ESD155降低了布板空間，三個埠的設計便於差分信號布線，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：
圖６ ESD155-B2-W0201插損數據
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高速接口的防護需求。
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接口。靜電是否會通過終端外部接口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：
圖７射頻電路TVS靜電防護器件可能放置位置
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仿真得到。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：
圖８ 50Ω系統不同功率對應峰值電壓
從以上數據得知，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信方式為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：
圖９低壓天線靜電防護TVS
以下為高壓推薦的已量產器件：
圖10 高壓天線靜電防護TVS
2.2 鉗位電壓、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，較高的瞬時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瞬時峰值電壓為299V，ESD106的瞬時峰值電壓為86V，如下圖11、圖12所示：
圖11 ESD106 ±8kV靜電槍測試電壓波形
圖12 ESD111 ±8kV靜電槍測試電壓波形
2.3 諧波要求
雜散是每個無線通信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：
圖13 ESD111諧波測試數據
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，諧波數據也非常優秀，介於ESD106和ESD111之間，可以提供更低的鉗位電壓，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插損數據，7GHz頻率時分別為0.2dB以及0.3dB左右的插損.如圖14所示：
圖14 ESD106及ESD111插損數據
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 英飛凌通用低鉗位電壓TVS產品
如下幾款產品具有極低的鉗位電壓，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，浪涌防護能力可達到12A，可滿足大部分場景需求。
圖15 通用低鉗位電壓TVS產品
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。
圖16 ESD249及ESD259關鍵參數
圖17 ESD249及ESD259諧波性能
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。
圖1８ 英飛凌高工作電壓通用TVS
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電壓、具有EMI濾波功能的TVS管。
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