穿戴式裝置充電訊號輸出入接口之保護設計
- 尤嘉禾
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個人電子產品發展的主流，從早先的個人電腦(PC)和筆記型電腦(NB)等定義為資訊類電子產品開始，乃至提供便利通訊和資訊取得的智慧型手機(SmartPhone)和平板電腦(Tablet)等消費性電子產品以來，可以看出電子產品對人類生活的滲透率一直在增加。
隨著繼之而起的穿戴式裝置自提出以來，發展速度一日千里，短短數年來，包含針對大眾消費者的「智慧手錶」、「智慧手環」和「穿戴式攝影機」，如雨後春筍般的蓬勃推出，這些穿戴式產品一方面解決消費者與電子產品之間的距離問題，另一方面，隨著眾多電子產業重量級的品牌廠商爭相開發相關產品，也吸引了大眾對穿戴式裝置未來發展應用的更高度期待。
目前市場上主流的穿戴式產品，主要還是以提供消費者更便利易得的資訊通知，或是採集消費者的身體機能參數，如記錄運動時身體的心跳或定位使用，隨著在物聯網(IoT)等雲端(Cloud)大數據(Big Data)的發展加持之下，穿戴式裝置的應用將擔任其中採集重要前端數據的重責大任，未來穿戴式裝置的功能需求將有增無減。
而目前主要應用於遊戲的虛擬實境頭戴式顯示器(HMD)，未來也被看好在新應用和成本下降下，成為消費性穿戴式產品主流。也因為穿戴式產品的未來應用有著無限可能，目前也吸引了為數眾多的IC設計大廠投入發展各種穿戴式應用開發平台，希冀藉著應用開發者的想像力和創造力，將穿戴式產品的發展帶入引領下一波電子產業成長的重要領域。
穿戴式產品的功能將越趨多樣及複雜，其中肩負訊號溝通和充電需求的接口選擇將成一大考量，目前USB Type C介面由於具有微小空間特性，支援正反插特色，整合高速資料和高解析影像訊號傳輸，尤其在電源部分提供了電源傳輸(USB PD)最高100W的功能，USB Type C介面已成為最被看好能進入穿戴式主流輸出入接口的應用方案。
USB Type C接口在產業的滲透率，自從Apple Mac Book採用以來，目前包含個人電腦的主機板(MB)，筆記型電腦(NB)和智慧型手機，其最新產品開發都已將USB Type C選為主要接口之一，這其中也是得力於電腦晶片大廠Intel的大力推動支持，引領產業界進行了一波USB新接口的文藝復興時代，因此穿戴式裝置自無法排除於這股潮流之外，USB Type C接口可完美的用一線連接來解決複雜的高速資料和電源傳輸需求，因此也被期待著成為統一的穿戴式裝置和其他電子產品的互連選擇。
隨著穿戴式裝置的各種應用開發，其所處的操作環境將可能非常嚴酷，也由於穿戴式裝置要更頻繁的與人接觸和進行訊號傳輸和充電需求，其所遭遇的暫態突波(Transient)衝擊，如來自人體和纜線的靜電放電(ESD)，或是高電流高電壓充電所易造成的電氣過載(EOS)事件將更加繁複和嚴苛。因此穿戴式裝置的可靠度設計將成為重要的考量，特別是在USB Type C接口的靜電放電(ESD)和電氣過載(EOS)保護設計，必須審慎為之。
USB Type C接口挾其高整合度和便利的正反插特性，其連接器共有24針腳(pin)各具不同功能要求，為滿足如此多的針腳(pin)保護，若採用傳統的單通道保護元件，則其所佔比的巨大印刷電路板(PCB)空間和高物料清單成本(BOM Cost)，將會使得穿戴式裝置顯得更加笨重，這無利於穿戴式產品必須讓使用者覺得異物感不存在的特性要求，因此在穿戴式裝置的USB Type C接口最適合的訊號保護元件封裝選擇，必須以多通道(Multi Channel)的暫態電壓抑制器(TVS Array)為主，TVS Array除具有多通道整合可節省佔比印刷電路板(PCB)的空間外，其具有的成本優勢也是主要特色，可進一步降低穿戴式產品的價格來達到快速突破進入消費性市場的價格障礙。
而針對USB PD電源傳輸充放電部分，考量其充電電壓可能從5V/12V/20V等不同模式，且其電流最高可達5A，USB Type C負責電源傳輸充電的VBUS針腳建議獨立使用針對電氣過載(EOS)保護元件，電氣過載突波時間長度遠高於靜電放電，在電源充放電傳輸時將易於發生而導致嚴重的電子設備燒毀事件，就如目前主流的智慧型手機常聽說在充電時發生自燃爆炸情況，電氣過載(EOS)是主要的原因之一，因此現在具知名度的大型智慧型手機廠商都會在充電電源接口進行電氣過載(EOS)保護設計和規範測試，目前主要的電氣過載(EOS)測試規範為參照IEC61000-4-5電壓波形1.2/50us和電流波形8/20us為主。
晶焱科技秉持數十年專精於電子防護元件設計技術，利用自我專利開發出適用於穿戴式USB Type C接口應用的8通道TVS Array保護元件AZ1043-08F。其空間大小不僅只有3.8mm x 1.0 mm，且其高度更只有0.5mm，非常適合於穿戴式裝置所要求的輕薄短小元件要求，可進一步降低穿戴式裝置對消費者產生的異物感。
在元件特性上，8通道的AZ1043-08F其所具有的訊號對地電容為0.5pF，而影響訊號抖動(Jitter)最重要的串擾電容(crosstalk capacitance)更只有0.04pF，因此可適應於USB Type C的高速訊號應用。在保護性能上，AZ1043-08F除符合靜電放電規格IEC61000-4-2接觸12kV和空氣15kV的測試要求，針對電氣過載的IEC61000-4-5亦具有5A保護耐受等級。
而箝位電壓特性表現，在標準的傳輸線波形產生器(TLP)的量測下，於17A傳輸線波形電流下也僅具有9V箝位電壓，因此可有效保護後端先進製程控制IC，輕易通過最嚴苛的直接針腳注入靜電放電測試(Direct Pin Injection ESD Test)。
另一針對USB Type C充電電源的VBUS針腳，晶焱科技則推出了一系列DFN1610封裝的AZ3105-01F/AZ4512-01F/AZ4520-01F，以因應5V/12V/20V電源傳輸(PD)的不同電壓需求。DFN1610封裝其長寬高雖然只有1.6mm x 1.0mm x 0.5mm，但是其超群的靜電放電效能皆可達IEC61000-4-2所規範最嚴格的接觸30kV/空氣30kV等級，且其電氣過載耐受特性最高可達IEC61000-4-5 80A，因此可提供USB Type C充電接口最完善的ESD/EOS保護。 (本文由晶焱科技設計研發部李健銘經理提供，尤嘉禾整理)
