滿足可攜式裝置尺寸要求　高整合電路保護方案當道

談到可攜式產品設計與發展趨勢，Littelfuse資深應用工程師游恭豪(圖1)表示，對於可攜式產品設計者來說，電池壽命與續航力也是一大重點，須減少反覆充電的次數，來延長電池壽命；而對消費者來說，充電的便利性也相當重要，因此近幾年可攜式產品也開始導入快充功能，縮短充電時間；另外也有廠商陸續導入無線充電技術，讓充電變得更為方便。而在產品功能的部分，由於消費者對於影像顯示的要求越來越高，不只智慧型手機，其他可攜式產品也開始導入黑白甚至是彩色螢幕，並追求更好的顯示技術；同時為了能更好地融入IoT系統，可攜帶式產品也會導入越來越多聯網模組豐富產品功能，藉此讓產品與消費者的生活有更強的連結。

從上述的設計與發展趨勢可以發現，除了智慧型手機以外，消費性電子領域的廠商也持續開拓其他個人可攜式產品，這些產品的外型可能比智慧型手機更小，但同時配有各式的主被動元件、電池與電源端口；而為了提升充電便利性，也開始支援更大功率的快充，因此勢必會需要更精巧的電路保護方案，以滿足此類產品的需求。

小型可攜式產品電路保護迎挑戰

在消費性產品中，筆記型電腦對於電路保護的需求最高，也是過去保護元件最主要的應用領域。由於筆電的電池容量大、充電功率大，且資料/電力輸入輸出端口更多，因此相較之下也會需要較多的電路保護元件，包括過電流保護、電池安全保護以及靜電(ESD)保護。電池提供產品所需的電力，同時卻也是危險的來源，因此會需要多種保護元件，針對電池溫度、電壓電流來做不同程度的監控與保護。而在靜電保護方面，只要是使用者可能觸摸到的地方，包括觸控螢幕、觸控板、鍵盤以及輸入輸出端口都可能會產生靜電，進而導致裝置電路損壞，須藉靜電保護方案，保障產品壽命與使用者安全。

筆電技術發展時間較久，基本的功能與機構設計都已相當成熟，目前電路保護方案也幾乎都能滿足市場需求。而智慧型手機以降的小尺寸可攜式產品，如智慧手表/手環等對於安全保護的要求與智慧型手機大致相同，但對於產品與元件尺寸要求更嚴格，也考驗著處理器與保護元件的設計。游恭豪補充說明，為強化產品性能，當設計空間與成本有限時，功能性元件的順位會比安全性元件排在更前面，導致保護元件容易被忽略。舉例來說，由於每個國家(或地區)有不同的安全標準，有些廠商可能會放棄部分國家/區域的安全認證，藉以最大化效能、設計空間與成本的效益。而成本與尺寸也成為可攜帶式產品在設計電流與電壓保護元件時，重要的考量。

提升整合度/製程技術縮小元件體積

談到小型化產品的電路保護趨勢，柏恩(Bourns)技術支援經理金韋琦(圖2)表示，考量產品設計空間有限，目前有越來越多行動裝置或穿戴式設備廠商會將靜電保護功能整進MCU中，提升產品的整合度；而若裝置有特殊需求，才會外掛小型的TVS(0402或0201封裝)。但是，電源端的過電流/過電壓保護以及電池的過溫保護是無法取代的，因此仍必須額外配置可回復式保險絲(PPTC)、小型斷路器(Mini Breaker)或熱關斷(TCO)元件來達到保護的作用。

而隨著保護元件縮小，如何維持元件良率與可靠性，也成了一項技術挑戰。金韋琦說明，在生產小電流裝置的保護元件時，良率是許多廠商都會面臨到的難題；另外則是元件的穩定性，須將產品的精準度控制在很小誤差範圍內，才能滿足產品效能要求。

金韋琦表示，要克服產品良率與穩定性的技術難題，就必須從產線端著手，採用更先進的製程，同時也藉由新材料的導入，來提升元件的穩定性與生產良率。而因應小型穿戴式裝置的市場需求，該公司也持續投入新材料與先進製程的開發，以提供更適合小型應用的保護元件。

而在電池的過溫保護方面，對穿戴式裝置來說，最重要的則是提高元件的敏感度，須能在電池溫度超過規範時，以小於1秒的時間即時切斷電源。而因應藍牙耳機等小型的穿戴式裝置面市，半導體供應商也推出小尺寸的TCO保護裝置滿足市場需求。

除了藉由製程與材料的優化，也有廠商藉由元件的整合，滿足市場對於尺寸的要求。如Littelfuse即因應小型電子產品的市場需求，在2018年新設置產品線，將靜電保護與雜訊的濾波器整合在一起。游恭豪表示，與開發者接觸時，靜電保護與雜訊的濾波器都時常被要求縮小尺寸，特別是在智慧手機與智慧手表領域，因此該公司也從產品線著手，將這兩個表面貼裝元件(SMD)整合成同一元件，提供靜電保護跟雜訊濾波器的功能，整合後的板面積大約是未整合時兩個元件加總的70%。

主動保護元件滿足尺寸要求

針對小型消費性產品設計需求對於電路保護與安全方案的影響，UL指出，被動式元件體積通常比主動保護迴路要大，所以小型電子產品多主要依賴多重主動保護設計。不過，僅依賴主動保護方案須特別注意，保護方案是否會在電磁干擾下同時失效。

安森美(ON Semiconductor)解決方案暨應用工程中心大中華區總監張道林(圖3)表示，隨著5G導入Massive MIMO技術，天線數量大幅增加，大型基地台對於電路保護產品的尺寸要求也越來越嚴苛；只不過，對於大型裝置來說，體積更大功率更大，過熱的問題可能比尺寸、成本更棘手；而小型的消費性產品則會更專注在尺寸與成本控制上。因此，對於電路保護業者來說，若能把保護元件/產品做得更小，並在滿足應用功率要求的前提下壓低成本，產品可應用的層面也就會更廣。

因應此趨勢，半導體供應商也因應此勢推出更智慧化、封裝更小的電子保險絲(eFUSE)。不同於傳統的保險絲屬於被動元件，eFUSE本身會需要電力，屬於主動式元件，可以導入更多智慧化的功能，因此元件設計也更為複雜。

張道林進一步說明，除了縮小體積，隨著技術演進，保護元件供應商也希望能導入更多功能以提升安全性。舉例來說，過去可能是透過保險絲單純提供過壓、過流保護，而新一代的電子保險絲還會導入其他預防性偵錯機制，在電路系統產生異樣，還未釀成意外前就啟動保護機制。

而他也透露，受惠於半導體製程的演進，目前eFUSE的尺寸已越來越接近傳統保險絲，成本的差距也持續縮小。當尺寸與成本都能達到市場要求時，這種智慧化的電子保險絲就有機會取代傳統可回復式保險絲，成為大型與小型裝置的電路保護主流方案。而安森美也將發揮IDM廠的優勢，持續提升保護元件的整合度，同時也可綜合開發者在成本、設計空間與功能三者間的需求，提供彈性化的產品選擇。

USB-C端口安全不容忽視

USB Type-C(USB-C)在消費性電子產品的滲透率越來越高，因此其纜線保護也成為重要的議題。USB-C連接器能夠提供高達100W的功率，具有24個引腳，外形尺寸小於以前的USB連接器設計。雖然其顯著的優點為增強的功率特性和效能，但也存在著缺點，增強的功率和極其緊密的引腳間距，兩者結合下增加了熱失控的潛在安全風險，包括使用不當(插拔角度不對)、灰塵或液體進入連接器都可能導致過熱或短路等意外。

而因應此趨勢，相關廠商也開發了過熱保護元件，設計在USB的插頭上，可偵測異常，如果有過溫過熱，就會關閉充電，避免發熱導致燒壞。可回復式過熱保護器則在冷卻之後就可以繼續正常運作，保護人身安全，同時延長產品壽命。

溫度指示器提升USB-C纜線安全

由於USB-C的功率輸出範圍比以往更大，因此USB-C也導入了充電握手協定(Handshaking)，規範充電器與被充電設備須確認輸出與輸入的功率相符，完成握手協定後，方能進行供電。藉由此機制來避免因為輸出與輸入功率不符，而引發的意外。

而Littelfuse也基於USB-C握手協定，推出溫度指示器來保障USB-C纜線安全，在溫度、電流異常時介入握手協議，進一步停止供電。游恭豪進一步說明，相較傳統的可回復式保險絲，基於握手協定所設計的溫度指示器可以有更多尺寸優勢，因為傳統的保險絲是安裝在電源Pin(即VBUS Pin)上，而新型的溫度指示器是安裝在通訊Pin(即CC Pin)上。通訊Pin通過電流較電源Pin小，因此保護元件的尺寸也得以縮得更小。這將有助於進一步將纜線的線頭尺寸縮小，線頭的尺寸越小就越不容易折損，因此也有助於提升纜線的安全性。

整合型主動元件成大勢所趨

隨著電子產品深入消費者的生活，目前許多產品品項已有強制性的安全與能效規範。根據UL，在能效方面，手持與小型穿戴裝置尚未有強制的法規；而在安全方面，手持與小型穿戴裝置的工作電壓並不高，所以因內部鋰電池能量所引發的電擊機率很低，但若使用了未通過安全認證的充電設備，其連結手持與穿戴裝置同時充電並使用時，很有可能因為該充電設備的異常與失效而導致使用者被主電源端的高電壓所電擊，遭受傷害。因此，選擇有信譽的商品並遵循產品使用說明，是消費者捍衛自身安全的主動方式。

對此，UL也表示，作為國際安全測試認證機構其立場是站在公正第三方，因應科技發展標準，並教育製造商以最新的防止潛在危險的安全工程(HBSE)概念設計產品，再輔以相對應的資通訊產品相關標準UL/IEC 62368-1來判別產品的防護性是否可靠，雙管齊下，確保安全。

而針對穿戴式裝置，2018年更新的國際資訊類產品標準UL/IEC 62368-1，也對於接觸人體超過8小時的設備，有更嚴格的表面溫度要求，所以使用低功耗或是更有效率的散熱設計是必要的。同時，設備內使用的鋰電池能量若能限制在15VA以下，也能降低起火的危險。總結攜帶式產品的電路保護設計趨勢，UL強調，小型設備內無法納入更多重的保護元件與迴路，因此整合型的低功率主動保護設計將會是未來發展的主流。