近年於消費市場中的穿戴裝置數量大幅提升，但使用時也易產生ESD/EOS等風險。若要降低閂鎖效應，可於Type-C接口適當選擇TVS保護元件，避免危險產生。
個人電子產品發展的主流，從早前的個人電腦(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(Smart Phone)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。在此之後，穿戴式裝置繼之而起，問世以來，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表、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穿戴式產品，也吸引了大眾對穿戴式裝置未來發展應用的高度期待。
穿戴式裝置發展與主流應用接口
而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，如記錄相關運動時身體參數或定位使用。隨著物聯網(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身負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。而目前主要應用遊戲的虛擬實境(VR)頭戴式顯示器(HMD)，未來也被看好在新應用和成本下降之際，成為消費性穿戴式產品的主流。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。
由於穿戴式產品的功能將越趨多樣及複雜，針對肩負訊號溝通和充電需求的接口，如何選擇將成一大考量，目前USB Type-C介面由於具有微小空間特性、支援正反插特色，並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，如今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。USB Type-C接口在產業的滲透率，自從蘋果(Apple)MacBook採用以來，目前包含個人電腦的主機板(MB)、筆記型電腦和智慧型手機，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英特爾(Intel)的大力推動，引領業界進行一波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接口可完美地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它電子產品的互連選擇。
Type-C提升資源/電源傳輸效率
USB(Universal Serial BUS)作為通用序列接口，具有傳送速率快、連接靈活、使用方便、支援熱插拔，以及獨立供電等優點，被廣泛應用於各類電子產品中。USB接口定義也從最初的USB 1.0版本，更新到最新的USB 4版本。其中，如今最炙手可熱的接口協定當屬USB 3.1協定。
USB 3.1協定並不像USB 2.0只規定了Type-A和Type-B接口類別型定義，USB 3.1協定包括三種接口標準：Type-A(Standard-A)、Type-B(Micro-B)以及Type-C，以及兩種技術標準：USB 3.1 Gen1，USB 3.1 Gen2。其中Type-C接口被廣泛應用到手機、平板及筆記型電腦等電子產品中(表1)。
USB 3.2 Gen2×2協定Type-C介面，最高可達20Gbps的訊號傳輸速率，並且支援PD(Power Delivery)快充協定，最高支援20V/5A，即100W的傳輸功率。由於Type-C不僅提升了資料傳輸的速率，也加大了電源傳輸的功率，所以在實際應用中，為了保證資料傳輸不被突波(Transient)干擾，維持電源傳輸的穩定，在接口處添加暫態電壓抑制器(TVS)防護顯得尤為重要(圖1)。
圖1 USB Type-C插孔針腳
Type-C接口穿戴裝置力阻ESD/EOS產生
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與人接觸和進行訊號傳輸和充電等需求，其所遭遇的暫態突波衝擊，如來自人體和纜線的靜電放電(ESD)，或是高電流高電壓充電時所容易造成的電氣過載(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考量，特別是在USB Type-C接口的靜電放電和電氣過載保護設計，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保護，若採用傳統的單通道保護元件，則其所占用的巨大印刷電路板(PCB)空間和總體物料清單成本(BOM Cost)，將會使得穿戴式裝置顯得更加笨重，這不利於穿戴式產品必須讓使用者覺得毫無異物感的特性要求，因此最適合穿戴式裝置的USB Type-C接口訊號保護元件封裝選擇，必須以多通道(Multi-Channel)的陣列式暫態電壓抑制器(TVS Array)為主。TVS Array除具有多通道整合，可節省印刷電路板的空間外，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有5V/12/20V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容易發生，進而導致嚴重的電子設備燒毀事件，如目前主流的智慧型手機，常聽說於充電時發生自燃爆炸情況，電氣過載便是主要的原因之一。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保護設計和規範測試，目前主要的電氣過載測試規範為參照IEC 61000-4-5，以電壓波形1.2/50μs和電流波形8/20μs為主。
另外，在選擇ESD/EOS防護方案時如果不考慮TVS的工作電壓等參數，一味地追求選擇更低鉗位電壓的TVS產品，就可能會造成TVS出現Latch-up風險，導致USB Type-C接口的正常通訊受影響，嚴重的話也會因為EOS而損壞電路。面對電子產品接口中複雜的訊號線以及電源線，如何做到正確而有效的瞬態突波防護，其中在接口處添加TVS應是最有效的防護方案。
慎選TVS設計防閂鎖效應
Latch-up即為閂鎖效應，是CMOS製程中產生的寄生效應。閂鎖效應由NMOS的源極、P-substrate、N-well、PMOS的源極構成的N-P-N-P結構產生(圖2)，當其中一個BJT發生正偏時，就可能構成正回饋形成閂鎖效應(圖3)。
圖2 CMOS內部N-P-N-P結構
圖3 Latch-up等效電路
在SCR電路N-P-N-P結構沒有被觸發時，兩個BJT處於截止狀態，集電極電流是由集電極到基極反向漏電流構成，電流增益非常小，此時Latch-up不會產生。當外部干擾導致其中一個BJT的集電極電流突然增加到一定值時，會回饋至另一個BJT，進而使兩個BJT因誤觸發而導通，VDD至GND(VSS)間形成低阻抗通路。之後就算外界干擾消失，由於兩個三極管之間形成正回饋，VDD至GND(VSS)間持續出現大電流，Latch-up由此而產生。
在IC晶片實際應用中，容易產生Latch-up的原因主要有以下幾種：
・晶片上電工作時，VDD電壓變化太大有可能導致Latch-up產生。
・ESD、Surge等瞬態突波事件發生時，電路中產生大電流可能引起Latch-up。
・當電路負載過大時導致電源與GND電壓變化，也可能打開SCR的一個BJT而產生Latch-up。
・若在3.3V以上工作電壓的訊號線或電源採用回拉(Snap-back)電壓低於3.3V的保護元件，當上述瞬態突波事件發生時，可能因Latch-up導致系統嚴重燒毀。
市場中TVS產品設計類型各式各樣，以晶焱科技的TVS產品為例，其主要採用三類設計：傳統二極體設計、N-P-N的BJT設計、SCR電路設計。三者特性曲線如圖4所示。
圖4 TVS特性曲線
在Type-C接口的防護電路中，如果TVS選型不恰當，使用SCR電路設計的TVS應用在VBUS端或者CC Pin線路時，更容易發生Latch-up風險，當然訊號線同樣也會發生此風險。主要原因是ESD、Surge等瞬態突波耦合到接口線路時，外部突波電壓高於TVS的擊穿電壓時，TVS就會導通開啟。
若因為選型不當，TVS開啟後Snap-back電壓(Vsb或VHold)低於電源正常工作電壓VBus或者Data訊號電壓最大值VMAX，即使外部突波干擾消失，TVS也會一直保持導通狀態，此時電流大量增加，電源電壓將被拉低或者正常訊號傳輸將被干擾，嚴重時TVS將燒毀短路，造成元件或者整個電路被EOS損壞。Type-C接口在使用時常常是帶電拔插，極其容易出現插拔浪湧或者ESD Cable Discharge突波干擾，為避免TVS在Type-C接口的實際應用中出現Latch-up風險，在TVS選型時，不僅要保證TVS的工作電壓VRWM高於電路正常工作電壓或者訊號電壓的最大值，同時更要考慮TVS導通後，出現Snap-back特性的TVS產品，回拉後的最低電壓Vsb或VHold，一定要高於電路正常工作電壓的最大值。
Type-C接口TVS三方案推薦
由於完整Type-C接口Power和資料線(Data Line)加起來的數量比較多，本文推薦TVS保護方案時按訊號分三部分：VBus Power保護、TX/RX Data Line保護，以及D+/D-/CC/SBU Data Line保護。
・VBUS Power保護
由於Type-C支援PD快充協定，常用的VBus傳輸電壓有5V和12V，最高可支援20V電壓傳輸，所以在針對VBus防護時，人們需要選擇合適工作電壓的TVS防護方案。在選擇鉗位電壓更低的TVS同時，也要保證不會發生Latch-up，表2是推薦應用在Type-C VBus Power Line的ESD及EOS保護方案。
・TX/RX資料線保護
TX/RX作為高速資料傳輸線路，人們選擇TVS保護時，要選擇低電容產品，避免出現容值過高而影響Type-C接口的訊號完整性，表3是推薦應用在高速訊號TX/RX線路的保護方案。
・D+/D-/CC/SBU資料線保護
USB D+/D-資料線、輔助通訊CC，以及SBU訊號線TVS保護推薦則如表4所示。
(本文作者皆任職於晶焱科技，李健銘為資深經理；龍航為應用工程師)