由于半导体元件制程技术的快速发展，使得各项电子系统趋向于高密度整合发展。尤其在通讯技术上，一般大哥大手机已由以往如1250ml可口可乐般大的体积缩小到如手掌大小，在这样的系统上以往所使用的皮膜电阻、电容已销声匿迹，其原因在于这样的元件体积太大，同时由于高频系统皮膜电阻、电容存在的杂散元件效应已太大，而使得应用有其困难。

SMD(Surface Mounted Devices)形态的元件因为体积及杂散效应小，于近几年供不应求。

《图一 ESD物理系统简图》

高密度电子系统中因为各项元件趋向于微小化，在电压过载的情况下系统将会出错甚至于有永久损毁的可能。在IC(积体电路)设计技术中有相当多的技巧来减低这项问题的可能性，但却难以达到相当高的可靠程度。一般来说这些技术利用半导体元件因高压而工作于崩溃区，并将电流导向整个系统的地点，纵使元件可以承受这样高的电压，高电流于高密度IC中的传导必将造定成一些问题。于设计上使用的I/O Pad面积以及Pad与内部线路的距离将会决定IC的保护程度，越高程度的保护，IC所使用的面积也相较的变大(以现在高密度整合的过程，一些考量必定会疏忽)。多层膜陶瓷SMD型态瞬时电压过载保护元件，将是高密度电子系统一项高信赖度过载保护的选择。

这篇文章将引导您了解各项EMC(Electromagnetic compatibility;电磁共容性)在瞬时电压过载的现象以及在测试，量测上的规范。同时我们将针对SMD陶瓷保护元件做一简单的介绍，而它要用在哪里，也是这篇文章的重点。

什么是EMC呢？

我们日常生活中使用的电器如收音机、电视等设备，会因为外界电磁波干扰而影响这些电器的使用，早在1928年就已经规范出设备对于电磁波传输以及接收上的限制，主要在使用上有更高的解析度及可靠度。之后由于电子系统设备被高度的应用，EMC方面的规范也应应而生。 EMC主要规范电子系统的安全性和系统在工作的电磁环境对外界的干扰，其中包括基本的现象，量测/测试技术以及规格的限制规范。欧盟于1996年通过并实行法令要求电子系统能够符合要求才可以卖。如果不符合规格就不用外销到那里了，其中对于电压过载，EMC在不久也将会纳入规范。

瞬间电压过载

说不定是老板故意不开唉我们回归正​​题，瞬时电压过载在不久将来势必会纳入规范，同时在高密度的电子系统中这些问题也是不容忽视的。瞬时电压过载的原因大概可以分为下列几大项，以下我们将介绍其物理原因以及规范上的标准：

《图二 人体ESD模型及IEC 6100-4-2定义之ESD电流波型》

ESD(Electrostatic Discharge;静电放电)

ESD的范畴相当的广，举凡闪电到近距离的人体接触都是ESD的一部份。简单的来说以一个带电Q的物体，因为近距离接近电子系统而引发负Q电荷分布于系统的表面，或是因为带电物体接触电子系统而引发出快速电流或电压过载。其对电子系统的影响又会因为带电的物体的不同而有不同的作用，我们可以在(图一)中看到这样物理系统的大致运作状况。总之，我们可以了解这样的物理系统势必是相当复杂的，电荷由哪里来？其影响有多大？都是值得讨论的问题。幸好有一些组织针对这样的问题加以实验、分析且加以规范。我们现在可以大方的使用他们所定出来测试/量测方法，来对我们电子系统的可靠度加以实验。

现在一般产品的测试上大部分都采用IEC(International Electrotechnical Commission)6100-4的标准，而欧洲系统以EN 6100-4，德国采用DIN VDE 0843为标准。这些规范主要帮助我们可以方便且快速的得到系统的可靠度以及元件所可以保护的范围。在IEC 6100-4的第二节中就规范出ESD的模型以及ESD所产生的波形。近年来由于ESD课题被高度的讨论，有一些联盟也针对这样的课题做一些标准的订定，如美国的ESD Association Standard就是一个例子。

《表一 ESD产生器的各项参数对照表》 - BigPic:615x154

对电子系统来说，一般电子产品受到人体静电接触的影响最为普遍，在IEC 6100-4-2中也将这样的模型加以定义。当人以手指接触电子系统时，人体可以等效为一个150pf电容器，然后以一个开关连接1500ohm电阻器到被接触系统。由这样的模型我们可以了解经过1500ohm的电阻是以电压形式接触系统表面，是一个快速的电压源。在(图二)中，我们可以看到人体模型的等效电路以及这种模型所产生出来的电流对时间的关系。在这样的电路中，当电子开关接通时电容器的放电时间是Nanosecond Order的范围，同时放出的电压是在5kV到15kV间的大小。

图二中的电流对时间关系图IEC又将其订出四个程度，以注入电压分别为2KV,4KV,6KV及8KV。整个波形的描述分为第一个最大电流(Ipeak)，由最大电流90％的时间后30ns的电流以及最大电流90％的时间后60ns的时间来描述。 (表一)列出ESD测试所产生的电流波形的四个level所对应到的时间及电流值。

对于一个完全没有保护的金氧半导体元件(MOSFET)来说，在这样的瞬间电压过载运作下，将对元件造成永久的伤害，前面谈过在IC设计可能无法避免这样的伤害，所以有一些专门用来防止ESD作用SMD type元件在市面上销售，而且也将会被广泛的被应用。

EFT(快速电压传输,电极与空气间的火花)

这类的电压过载主要来自于电极接触间，因为电极间有空隙，在有些情况下就会因为尖端放电而产生低能量快速且有周期性的电压变化，而在电极间会有火花的现象产生。不要小看这样的现像，以一个3.5V的电池两端接上导线，当将二导线端点接触时可能有重复且快速火花产生，这样实验做完一阵子后你会发现电池已经发烫。 IEC 61000-4-4中规范出这样的标准，其中也有包括测试的等级以及测试的电压波形图。将这些参数详列于(表二)中。

《图三 电压图波表示图》

Surge(电压开关突波)

这一类型的的电压过载，主要来自电源线以及电器设备内部之开关。可以分成雷击突波以及开关突波两类。雷击突波是因为雷等感应的突波重叠于AC电源线所引起的，另一类开关突波是由于开关开闭时所造成的如保险丝的溶断，继电器及线圈等开关所引起。电压突波的物理现象以图形表示如(图三)，我们将电源开关等效为一个电阻电杆串联电路当开关打开时在电杆上会产生一个快速的电压变化，因为开关快速打开类似于有一相当高频的讯号进入电杆，因此会有一个快速的电压过载产生。

IEC 61000-4-5中有详细的订定突波的电压电流波形，在一般家电系统中电压突波大约可到达６kV的强度，一般测定都以此一强度范围为标准。电压波形大致可以分为两类：一类为震荡讯号波形，其频率范围可以由5kHz到500kHz，最大电压约为6kV，最大电流可到达500A左右；另一类为单一突波电压，都以1.2/50μs表示，电流以8/20μs表示，最大电压压6kV，电流在3kA左右。我们可以知道这样波形的时间比ESD长，电压电流差不多大，因此要通过突波的防护设备的总能量，相较地比ESD来得高出许多，因此通过突波的保护元件势必要比ESD保护元件来得更严苛。突波波形的示意图列于(图四)中。

《图四 IEC 61000-4-5突波电压电流模型波型》

SMD陶瓷瞬间电压过载保护元件

介绍完各项快速电压过载后，我们可以知道对于电子系统的保护需求有日益增加的趋势，因为单就ESD来说，高密度半导体元件已不能承受，更何况由电力系统中进入系统的突波，因此下面将介绍几项简单且方便的SMD type瞬间电压过载保护元件。

《图五 SurgX Polymer ESD Suppressor各项特性图》

Polymer ESD Suppressor ​​(SurgE)(聚合物合成之ESD保护器):

首先就其名字来看，我们可以了解这一项产品是在聚合物两端加上金属电极所合成的ESD保护元件，可以调变聚合物及电极间距来改变元件的特性。想当然这一聚合物层是此一元件的最重要部分。

就一个优良的电压保护元件来说，使用者最想得到的资讯就是加上此元件会不会改变原本电路的特性，当有ESD时保护元件会不会作用，及元件可以保护的程度。因此一个好的保护元件它对ESD的作用时间应该要很短，同时有ESD作用的过程中，此一元件的截止电压要越低越好，此一元件在没有电压过载时电阻要很大，漏电流要小，电容也要很小，即使设计者电路设计完毕后，加上此一保护元件对整个电路的的影响应该要到完全看不出来的程度。

此一元件的简图如(图五)所示，其工作原理系利用其特殊电压电流波形如图中所示，当有ESD突波时电压高过VT(Trigger Voltage)，元件由高阻抗区变换到低阻抗区，利用低阻抗特性将电流引导到系统地线，同时将电压钳位于VC(Clamping Voltage)。这类元件如Cooper等公司已有量产，台湾Inpaq等有类似的产品。

《表二 IEC 61000-4-4对EFT/Burst的定义》 - BigPic:606x132

MLV(Multilayer Varistor;多层膜变阻器):

利用多层电极及氧化金属的多层膜结构，在两端点加上电极可以有类似变阻器的效用，变阻器的作用原理乃利用电阻值对电压的非线性特性来达成对电压保护作用，当有高压突波进入系统时，变阻器的电阻值会急速下降，将高压以电流的方式传导到地线。

此一元件与ESD元件最大的不同点，在于电容值要比ESD保护元件来得大出许多，同时漏电流也较大，但它可以承受的能量要比ESD元件高出许多，一般用来保护突波的发生。近年来由于技术的日新月异，已经有低容值的MLV在市面上贩售，用来保护高频电路中的元件。此一元件的特性以图形方式表示于(图六)中。值得注意的是，一般突波保护元件在贩售目录中常有8/20μs电流一栏，这指的是当加以IEC 61000-4-5中电流波形于元件上，其所得到输出波形的最大电流及钳位电压。同时有许多国际级的被动元件大厂如AVX、Panasonic、Littlefuse、EPCOS等都有。台湾也有如Inpaq等公司有类似且效能高的产品。

《图六 MLV之特性图》

此保护元件的应用

此一元件于应用上并不难，因为元件设计上为求得更易于被应用，要求元件设计越趋近于理想越好，只要元件使用到电路中，此一元件并不会影响原本电路的运作状况。只要将元件并联于电路板上，加上欲保护IC接脚及系统地点间就可以。

因为各电路的工作点电压电流并不一样，同时要保护到何种程度也是必须考量的，因此元件的选择就显得相当重要。以SurgX元件来说，如果使用到电源开关上就会有一些问题，因为电力系统的突波能量远比ESD保护元件所能承受的范围来得高。如果使用MLV来保护元件，被保护的电路工作点电压也是需要被考量的，如果钳位电压太高，电路在保护的过程中有可能损坏。在高频电路上的应用，电路的匹配就不容被忽视，因为元件附加于RF的输入端，若阻抗没办法匹配电路的能量损耗就可能太大而无法工作。

《图七 手机系统用户与系统间面间的保护》

在整个系统的地线，系统设计上也必须要考虑清楚。如果地线太靠近需要被高度保护的IC附近，同时没办法快速的导走多余的电荷，此时系统还是一样没办法被高度的保护。电源区块要作适当的隔离，如一些Coupling效应应尽量减少。 (图七)中我们针对一个内部被完整保护的大哥大手机系统，其需要被保护的使用者与系统介面以图形描绘出来，同时标上其可能需要的元件。 (本文作者任职佳邦科技)