专为手持式电池电源轨设计的 ESD浪涌保护解决方案

手持电子中PCB的设计趋势——越来越小

物联网为我们的日常生活带来了额外的便利。为了使电子产品更易于携带和使用，产品设计工程师一直在接受挑战，以在更小的 PCB 空间和更高的电子电路集成密度上为设备生产更多的功能。我们日常看到的手机、智能穿戴、无线耳机、电子烟甚至AR护目镜都被大家津津乐道，小尺寸0201封装是电子PCB设计的主流。更重要的是，具有更高集成密度的系统级封装 (SiP) 并非闻所未闻。

电池电源轨的 ESD/浪涌保护需求

每次我们打开电子产品的电源时，电池电源轨上经常会出现电源尖峰。或者，如果用户正在更换电池，电子产品的电池电源导轨将面临静电干扰或损坏的风险。这就是为什么产品研发工程师在设计产品时不断努力提供适当的浪涌保护(ESD、浪涌尖峰)以提高产品可靠性。为此，在产品工程阶段进行了IEC61000-4-2的静电保护测试和IEC61000-4-5的浪涌测试，引入了苛刻的浪涌条件进行模拟，以确保产品能够很好地应对可以在用户使用产品的环境中扔给它。

电子商务正在应对来自世界各地各种气候和环境的挑战

B品牌制造商都引入了严格的测试条件来模拟各种用户环境中可能出现的浪涌类型，以使全球销售的电子产品适应当地气候。例如，如果手机产品在气候干燥或电源有些不稳定的环境中销售，通常会考虑它。因此，产品验证时对电池电源轨和USB充电器V BUS进行IEC61000-4-5严格的浪涌测试，以防止产品在环境恶劣的地区过度返修。为了通过高级别 IEC61000-4-5 测试，产品设计工程师通常选择将 TVS 放置在电池电源轨上和 USB 充电器 V BUS，因此 ESD 和浪涌尖峰在它们进来的那一刻就被 TVS 阻止。但是，考虑到手持电子产品的 PCB 尺寸有限，市场上的小封装 TVS 元件往往无法承受高浪涌电流，因为到模具尺寸的限制。为此，产品设计工程师不得不选择更大封装的 TVS 元件以通过过大的电应力测试，这意味着他们必须在产品 PCB 尺寸和高 ESD/浪涌鲁棒性之间做出选择。这些可怜的工程师在产品设计过程中为如何以尽可能小的 PCB 面积实现高 ESD/浪涌鲁棒性而绞尽脑汁。

电池电源轨的ESD/浪涌保护装置---设计场景

理想的电池电源轨 TVS 必须具有较高的浪涌耐受电流，而漏电流是电子产品降低功耗以延长电池寿命的重要指标。除了 TVS 本身的鲁棒性和漏电流之外，钳位电压是 TVS 的另一个重要参数。选择 TVS 的首要任务是确保钳位电压足够低，以便 TVS 发挥最佳保护作用。这消除了被保护的主芯片仍然被静电冲击损坏的可能性，而TVS即使没有损坏也失去了作为ESD保护元件的功能。

很多工程师在为电池供电轨选择 TVS 时，会选择具有更大 V RWM的 TVS 以获得额外的电压冗余，以防止由于电池电压不稳定而导致 TVS 误导的风险。另一方面，更大的 V RWM意味着在 V BD(击穿电压)和 V钳位(钳位电压)方面的性能更好。在进行规格设计时，工程师经常会陷入两难境地，即电压冗余充足，而 TVS 钳位电压良好。

最后但并非最不重要的是 TVS 的方向性。理想情况下，首选单向 TVS，因为它带来更快的负导通速率和更好的负钳位电压，因为它是电池电源轨上的直流电压。然而，早期的电子产品偶尔会受到小封装 0201 元件大规模反向安装的困扰，这迫使工程师在设计阶段不得不妥协于双向 TVS 以防止这种风险。也因为这种发展，双向元件仍然是市场上占主导地位的小封装0201 TVS元件。尽管如此，随着近年来小封装元件占据中心位置，对 0201 小封装肖特基二极管的需求非常迫切，SMT量产技术日趋成熟，小封装元件在SMT方向性方面的困扰，由于PCB上的方向性标记以及IC胶带和IC单元上的标记，逐渐被克服。在为电池供电轨选择 TVS 时，许多工程师坚持使用单向元件以获得最佳保护，即使它们是 0201 小封装元件。

下表提供了用于电池电源轨的 ESD/浪涌保护器件的一些设计要点：

特征描述

VRWM _略高于电源轨电压以确保安全裕度

方向性单向优化负钳位电压

漏电流低漏电流，低功耗

ESD钳位电压低钳位电压提供有效保护

浪涌 Ipp (8/20µs)低场返回率的高浪涌鲁棒性

ESD IEC61000-4-2高 ESD 稳健性，适用于大多数严格的测试标准

包装尺寸紧凑型设备的小封装

电池电源轨的惊人优化 ESD 保护解决方案 --- AZ5A16-01M

综上所述，Amazing Microelectronic 针对电池电源导轨设计提出了完美的 TVS 解决方案——AZ5A16-01M，具有以下特点：

‧封装：MCSP0603P2Y (0201)

‧方向性：单向

‧反向关断电压：6V

‧ESD 8kV 钳位电压：9V

‧系统级ESD鲁棒性(IEC61000-4-2)：30kV

‧浪涌 Ipp (8/20µs): 20A

‧反向漏电流：< 100nA

AZ5A16-01M不仅为电池供电轨提供良好的 4.5V 和 5V 电压冗余，而且还具有低反向负漏电流的特点，可延长产品的电池寿命。尽管具有上述两者，但尽管 V RWM较高，但在钳位电压方面没有进行权衡。与 0201 单向 5V - 6V TVS 产品相比，AZ5A16-01M 具有最低的钳位电压，可提供最大的保护。其单向特性确保优化的负保护。

AZ5A16-01M 采用小封装 MCSP0603P2Y 设计，为小型手持设备提供更灵活的 PCB 空间布置，并配备业界最高的 20A (8/20µs) 浪涌鲁棒性，以确保产品的电池电源轨通过IEC61000-4-5 浪涌测试。这有助于工程师同时满足小封装和极端浪涌鲁棒性的需求，从而消除了小 PCB 空间和高浪涌鲁棒性之间的权衡。

最后，AZ5A16-01M采用了特殊的MCSP封装设计。与传统CSP封装类似的晶圆级封装，MCSP采用6面保护涂层，封装架构更强，SMT推力更强，帮助AZ5A16-01M通过众多厂商要求的严格SMT推力测试，同时保持优异的成绩小包装的优势。

得益于专为电池供电轨需求量身定制的设计，AZ5A16-01M为市场上越来越多的 IoT 可穿戴设备提供了更高的系统级 ESD 稳健性，同时避免了在过去由于 EOS 损坏，更不用说满足对良好电池寿命和 PCB 设计的紧凑设计的需求。这解决了工程师在设计阶段可能面临的困境，同时加快了产品推向市场的进度。