AMAZINGIC晶焱科技：TWS 及音箱产品充电端的过度电性应力 (EOS) 防护方案

TWS充电盒的设计趋势 --- 追求高续航力与高充电效率

由于真无线蓝牙耳机(TWS)的便利性，全球TWS消费市场的竞争可谓日益激烈。即使根据研调机构于2022年的分析报告指出，前五大品牌市占排行占比总和已超过50%，但由于TWS产品相对不长的使用寿命，以及印度等新兴市场的兴起，近年(2022 - 2024年)仍有相当多的新兴品牌投入TWS新产品开发。因此，如何在开发规格上做出与其他主流品牌的差异性，并且得以成功吸引众多消费者的青睐，儼然是各TWS产品设计工程师们的首要课题。

 

在TWS产品问世以来，电池续航力不足以及相对较短的连续播放时间往往成为消费者诟病的问题，因此TWS产品的持久续航力也成为各品牌的规格优化重点。但因受限于TWS产品轻小而便于携带的设计方向，无法无限制地将锂电池放大以获得更高的电储存容量，也因此各家厂商纷纷往提高充电效率及功率的方向来设计，借以缩短TWS充电时间，并得以优化用户的产品体验。

 

智慧音箱充电端口的规格需求

在音乐配备产品系列当中，除了TWS之外则以智慧音箱的市场竞争最为激烈。搭配语音助理的智慧音箱作为智慧居家的沟通核心，各品牌纷纷推出由平价到高规格的全系列产品，也因此智慧音箱的市场也逐渐兴起。除了针对音质要求之外，由于智慧音箱的多功能性，各品牌也逐渐将医疗保健监控、安全服务等功能整合到产品当中，为满足逐渐增多的功能，智慧音箱的消耗功率也有逐渐提高的趋势。在2020年以前的早期音箱充电端口设计中，主要以5W (5V, 1A)的Micro USB或DC Jack作为主流，而近年(2022 - 2024年)发布的新产品皆纷纷往15W(12V, 1.25A 或 14V, 1.1A)，25W (20V, 1.25A)甚至更高的功率来设计开发。    

 

USB Type-C --- 未来统一的充电传输接口

随着欧盟规定2024年起的电子设备皆必须以USB Type-C作为通用标准，让消费者更为方便，也因此近年TWS与智慧音箱的充电端口皆逐渐以USB Type-C作为主流。利用统一充电端口的做法来减少电子垃圾的同时，USB Type-C Power Delivery供电规格的完备也让产品设计工程师在挑选功率规格时相当方便，下图一为目前USB Power Delivery充电协议所支持的功率范围:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

充电端口的ESD/Surge防护需求及测试标准

不论是传统DC Jack, Micro USB还是USB Type-C的充电端口皆会遭遇用户相当频繁的线材插拔，甚至用户时常会在带电的状态下进行线材的热插拔，也因此会将充电端口暴露于较高的ESD/Surge突波破坏风险之中，这也促使各TWS与音箱设计厂商在设计研发阶段时会以IEC 61000-4-2 Level 4静电测试来确保产品充电端口的静电耐受程度，甚至为确保在线材的插拔时遭遇Cable Discharge Event的情况下仍可确保不致损毁，越来越多的厂商要求以Direct Pin Injection的方式来测试自家产品，严苛的测试条件也成为工程师们在产品设计阶段时的难题。 

 

而除了基本的IEC 61000-4-2静电测试之外，部分品牌厂针对其TWS及音箱产品的充电端口会额外进行IEC 61000-4-5过度电性应力测试来模拟更大能量的突波破坏，以预防产品在环境较严苛的区域引起较高的不良返修。目前业界针对音乐类别产品充电端口的IEC 61000-4-5过度电性应力测试的规格当中，以低压浪涌测试(2ohm) 300V较为严苛。

 

 

充电端口的ESD/Surge解决方案

为确保充电端口可以通过如此严苛的ESD及浪涌测试，建议选择具备以下条件的ESD/Surge防护元件: 

 

1. Low Clamping Voltage: 

箝制电压(Clamping Voltage)为评估ESD/Surge防护元件保护效果最重要的参数。拥有较低箝制电压的ESD/Surge防护元件在遭遇大能量突波的当下，得以将能量有效地抑制，并借以保护先进制程的IC元件。由于现今快充IC多采用先进制程来研发制造，其静电耐受度也有逐渐下降的趋势，也因此必须选择拥有更低箝制电压的ESD/Surge防护元件，才能避免敏感的快充IC在静电放电或过度电性应力事件中受到干扰。 

 

2. High Surge Ipp: 

具备高Surge Ipp的ESD/Surge防护元件不仅仅可以帮助充电端口通过严苛的IEC 61000-4-5过度电性应力测试，更进一步可以帮助电子产品于售后减少因EOS引起的不良返修。 

 

3. Uni-direction:  因Power Rail上为直流电压，快充IC内部简易的ESD防护电路往往会以单向ESD cell来设计，因此选择ESD/Surge防护元件时建议选择Uni-direction的元件以得到最优化的负向导通速度以及更好的负向箝制电压，借以提供快充IC最良好的保护效果。

 

为确保提供充电端口良好的ESD/Surge保护方案，晶焱科技针对各充电电压的规格开发出全系列的保护方案，规格简介如下表一及表二:     

 

 

 

由于消费者对于TWS追求更高的续航力以及充电效率，同时对智慧音箱提出更多的功能需求，也推动了设计厂商必须将充电端口的充电功率提高。如何在提升充电端口功率，同时又能确保产品具备充足的系统级ESD/Surge耐受能力，以避免遭受ESD/EOS突波破坏而导致的不良返修，往往成为产品设计工程师在研发阶段的重要课题。晶焰科技针对各充电功率研发出全系列的ESD/Surge防护方案，期待能够帮助设计工程师增强产品的ESD/Surge耐受可靠度，并且加快产品导入市场的时程。