新一代手機(jī)設(shè)計(jì)中ESD和EMI問(wèn)題解決方法

中心議題：

手機(jī)ESD和EMI防護(hù)設(shè)計(jì)?

手機(jī)EMI抗干擾功能?

解決方案：

全新的單線保護(hù)?

ESD陣列優(yōu)化PCB面積?

超高速數(shù)據(jù)線路保護(hù)?

手機(jī)EMI濾波器設(shè)計(jì)?

最新的無(wú)線終端產(chǎn)品大多數(shù)都裝備了高速數(shù)據(jù)接口、高分辨率LCD屏和相機(jī)模塊，甚至有些手機(jī)還安裝了通過(guò)DNB連接器接收電視節(jié)目的功能。除增加新的功能外，手機(jī)尺寸的挑戰(zhàn)依然沒(méi)有變化，手機(jī)還在向小巧、輕薄方向發(fā)展。眾多功能匯聚在一個(gè)狹小空間內(nèi)，導(dǎo)致手機(jī)設(shè)計(jì)中的ESD和EMI問(wèn)題變得更加嚴(yán)重。這些問(wèn)題必須在手機(jī)設(shè)計(jì)的最初階段解決，并需要按照應(yīng)用選擇有效的解決辦法。

ESD和EMI防護(hù)設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的ESD保護(hù)或EMI濾波功能是由分立或無(wú)源器件解決方案占主導(dǎo)地位，例如，防護(hù)ESD的變阻器或防護(hù)EMI的基于串聯(lián)電阻和并聯(lián)電容器的PI型濾波結(jié)構(gòu)。手機(jī)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提高和新型IC的高EMI敏感度促使設(shè)計(jì)人員必須提高手機(jī)的抗干擾能力，因此某些方案的技術(shù)局限性已顯露出來(lái)了。

簡(jiǎn)單比較變阻器和TVS二極管的鉗位電壓Vcl，就可以理解傳統(tǒng)解決方案的局限性。變阻器的鉗位電壓Vcl(8/20ms@Ipp=10A測(cè)試)顯示大約40V，比TVS二極管的Vcl測(cè)量值高60%。當(dāng)必須實(shí)施IEC 61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的穩(wěn)健性就不能怱視這種差別。除這個(gè)內(nèi)在的電壓差問(wèn)題外，在手機(jī)使用壽命期內(nèi)，隨著老化現(xiàn)象的出現(xiàn)，無(wú)源器件解決方案還暴露出電氣特性變化的問(wèn)題。

因此，TVS二極管解決方案在ESD保護(hù)市場(chǎng)占據(jù)很大的份額，同時(shí)集成化的硅解決方案也是EMI濾波器不可或缺的組件。

是采用單線TVS還是ESD陣列保護(hù)？

關(guān)于某些充分利用ESD保護(hù)二極管的布局建議，我們通常建議盡可能把ESD二極管放置距ESD干擾源最近的地方。最好放在I/O接口或鍵盤按鍵的側(cè)邊。因此，在選擇正確的保護(hù)方法之前必須先區(qū)分應(yīng)用形式。

以鍵盤應(yīng)用為例，因?yàn)镋SD源是一個(gè)含有多個(gè)觸點(diǎn)的大區(qū)域，最好是設(shè)計(jì)類似于單線路TVS的保護(hù)組件，圍繞電路板在每個(gè)按鍵后放置一個(gè)ESD二極管。如果采用陣列設(shè)計(jì)，保護(hù)功能將得到保證，但是這種設(shè)計(jì)將會(huì)受到潛在的ESD問(wèn)題的影響，例如二條線路之間的輻射問(wèn)題。在這種情況下，手機(jī)內(nèi)部的ESD干擾控制并沒(méi)有被全面優(yōu)化。

全新的單線保護(hù)

正當(dāng)單線保護(hù)器件被廣泛用于抑制ESD放電時(shí)，一種在同一封裝內(nèi)集成兩個(gè)并聯(lián)二極管的兩級(jí)鉗位概念產(chǎn)生了。圖1對(duì)傳統(tǒng)的單線ESD保護(hù)與新型兩級(jí)鉗位二極管組件進(jìn)行了對(duì)比。

與目前的單線ESD保護(hù)二極管相比，這種創(chuàng)新將ESD防護(hù)性能進(jìn)一步提高了。如果實(shí)施ESD放電，當(dāng)在該IC輸入端上施加15kV空氣放電時(shí)，兩個(gè)鉗位級(jí)確保輸出端殘留最少的放電電壓。

與單ESD解決方案相比，當(dāng)施加15kV放電電壓時(shí)，并聯(lián)兩個(gè)二極管的方案將輸出殘余電壓降低40%。此外，意法半導(dǎo)體(ST)開(kāi)發(fā)的新封裝SOD882還有助于節(jié)省PCB空間，因?yàn)榧幢銉?nèi)置兩個(gè)二極管，每線僅占用面積0.6mm2。同時(shí)，封裝高度在0.4到0.5mm之間，特別適合纖薄型和滑板手機(jī)。

雖然單ESD二極管在鍵盤應(yīng)用中找到了適合自己的位置，但是我們不妨介紹一下二極管陣列解決方案。在多條數(shù)據(jù)線路通過(guò)一個(gè)獨(dú)特的連接器被集中在一點(diǎn)的情況中，ESD陣列二極管通常被用于節(jié)省電路板空間，提高連接器保護(hù)功能的穩(wěn)健性。SIM卡連、手機(jī)底座連接器、外部存儲(chǔ)卡、手機(jī)連接器等都是這種情況，如圖2所示。

圖2：ESD二極管陣列保護(hù)的Tflash連接器

ESD陣列優(yōu)化PCB面積

ESD二極管陣列解決方案的最大優(yōu)點(diǎn)是，在一個(gè)外部尺寸極小的封裝內(nèi)提供4個(gè)或5個(gè)TVS二極管。實(shí)際上，這是保護(hù)整個(gè)I/O連接器所必須的，因?yàn)镋SD干擾的入口點(diǎn)通常集中于一個(gè)相對(duì)較小的面積上。

ESD保護(hù)二極管被焊接在I/O連接器附近，用于防止61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8kV接觸放電和15kV空氣放電時(shí)所產(chǎn)生的任何損壞。這意味著當(dāng)通過(guò)一個(gè)330Ω電阻給一個(gè)150pF電容放電時(shí)，ESD保護(hù)二極管能夠抵抗15kV的電壓。

ST最近擴(kuò)充了保護(hù)二極管陣列產(chǎn)品線，推出了一個(gè)名為M6的微型封裝。新產(chǎn)品比現(xiàn)有的SOT323和SOT666節(jié)省PCB空間高達(dá)75%和45%。

超高速數(shù)據(jù)線路保護(hù)

按照目標(biāo)應(yīng)用的信號(hào)傳輸速度選擇TVS二極管是設(shè)計(jì)高效ESD保護(hù)功能的關(guān)鍵之一?；旧?，前面提及的信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率越高，ESD保護(hù)二極管的電容就要求越低。

因此，必須把保護(hù)組件在電流信號(hào)上產(chǎn)生的干擾降至最低。這與TVS二極管的寄生電容有直接的關(guān)聯(lián)。例如，在USB2.0的情況中，因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到480Mbps，所以需要ESD保護(hù)組件的電容極低。

實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果顯示，寄生線電容高于3.5pF的ESD保護(hù)二極管可能會(huì)在高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生很大的信號(hào)干擾。結(jié)果可能導(dǎo)致USB2.0收發(fā)器無(wú)法正常讀取數(shù)據(jù)。而對(duì)于USB1.1接口，寄生電容大約50pF的二極管并不會(huì)構(gòu)成任何數(shù)據(jù)完整性問(wèn)題。這就是USB2.0的ESD保護(hù)組件的額定寄生電容在0V時(shí)通常要求低于3pF的主要原因。

USBULC6-2P6就是專門為滿足高速數(shù)據(jù)接口的需求而開(kāi)發(fā)的。這個(gè)產(chǎn)品的主要功能是保護(hù)USB接口。所有引腳都符合要求最嚴(yán)格的IEC61000-4-2第4級(jí)ESD標(biāo)準(zhǔn)。典型線路電容是2.5pF，保證低于3.5pF，可完全滿足USB接口的所有設(shè)計(jì)要求。

兩條數(shù)據(jù)線路之間的差分電容均衡性是設(shè)計(jì)人員必須考慮的另一個(gè)特性。因此設(shè)計(jì)人員可以給電容參數(shù)差量極小的數(shù)據(jù)線路設(shè)計(jì)極其相似的組件。這是硅二極管的一個(gè)十分顯著的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樽冏杵鞯碾娙萜畲蠹s10%到20%。

新的收發(fā)機(jī)發(fā)射信號(hào)的速度非?？?，同時(shí)耗電也越來(lái)越大，為了有助于優(yōu)化電池使用壽命，超低電容的ESD保護(hù)二極管的漏電流被降低到1微安以下。

除保護(hù)兩條數(shù)據(jù)線路外，還必須保護(hù)Vbus線路。這是這個(gè)特殊的保護(hù)器件的另一個(gè)增值之處，因?yàn)樗Ｗo(hù)D+、D-和Vbus三條線路。專用的TVS二極管在相同的條件下像保護(hù)數(shù)據(jù)線路一樣保護(hù)Vbus線路，防護(hù)ESD浪涌。

因?yàn)槭謾C(jī)還有空間的限制因素，所以USB2.0的三條線路ESD防護(hù)不得超過(guò)SOT666封裝尺寸。USB2.0專用ESD防護(hù)電路見(jiàn)圖3。?

圖3：USB2.0保護(hù)拓?fù)?br />
圖3所示的軌對(duì)軌保護(hù)概念是效率最高的高速數(shù)據(jù)線路ESD防護(hù)概念，是速率每秒480Mbits高速串行線路的最佳折衷方案，它兼顧了數(shù)據(jù)完整性、信號(hào)均衡性、低功耗和最嚴(yán)格的ESD標(biāo)準(zhǔn)。

手機(jī)EMI抗干擾功能

在某情況下，ESD問(wèn)題并不是工程師要解決的唯一問(wèn)題。因?yàn)槭謾C(jī)發(fā)射和傳送RF信號(hào)時(shí)，很多電子組件受到RF輻射，因此，必須抑制RF輻射以保護(hù)正常的工作。甚至在某些情況下，某些IC自己也會(huì)產(chǎn)生RF輻射以及射頻干擾。

基本上，很多接口都會(huì)容易受到GSM脈沖的攻擊，如音頻線路或LCD或相機(jī)模塊，產(chǎn)生能夠聽(tīng)見(jiàn)的噪聲或可以看見(jiàn)的屏幕抖動(dòng)。這就是在設(shè)計(jì)手機(jī)時(shí)強(qiáng)烈推薦EMI濾波器的原因。

在某種意義上，EMI輻射抑制已成為下一代手機(jī)如多頻手機(jī)或3G手機(jī)的關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)楝F(xiàn)有解決方案即將達(dá)到技術(shù)極限。

采用分立的電阻和電容的單一阻容PI型濾波器設(shè)計(jì)不再是節(jié)省空間的解決方案。此外，因?yàn)樗p帶寬很窄，阻容濾波器的濾波性能極差。對(duì)于空間限制極嚴(yán)，工作頻率擴(kuò)大幾個(gè)頻段的多頻手機(jī)和3G手機(jī)，這類濾波器的缺陷明顯。

設(shè)計(jì)師開(kāi)始關(guān)注衰減大和衰減頻帶寬的低通濾波器，以硅為材料的集成EMI濾波器是適合所有這些需求的濾波器，它表現(xiàn)出極寬的衰減范圍，從800MHz到2GHz或3GHz，S21參數(shù)超過(guò)30db等。同時(shí)，這些濾波器可針對(duì)高速數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)低寄生電容結(jié)構(gòu)和超小的PCB空間。

硅EMI濾波器：LC型還是RC型?

對(duì)上文提及的兩種技術(shù)的純?yōu)V波性能進(jìn)行對(duì)比，在某種意義上我們看見(jiàn)相似的濾波特性，兩種結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出極寬的抑制頻帶。這些主要特性的取得歸功于能夠最大限度降低濾波器(無(wú)論是RC還是LC型)的寄生電感的集成概念。

然后，LC濾波器能夠優(yōu)化低頻的插入損耗。與RC濾波器相比，濾波特性在技術(shù)規(guī)格中確實(shí)存在明顯的差別。但是考慮到特性曲線是在50Ω環(huán)境中測(cè)量到的，設(shè)計(jì)師可能注意到，在應(yīng)用條件下，因?yàn)槎鄶?shù)IC是高阻抗元器件，RC濾波器的串聯(lián)電阻或LC濾波器的串聯(lián)電感對(duì)插入損耗的影響可忽略不計(jì)。因此，即使在濾波器技術(shù)規(guī)格中看到插入損耗的差異，這個(gè)差異也不真地適合應(yīng)用條件。

盡管如此，我們可以使RC或LC濾波器信號(hào)傳輸能力實(shí)現(xiàn)差異化。特別是在高頻下，LC濾波器可能具有RC濾波器絕對(duì)沒(méi)有的某些振蕩效應(yīng)。這些寄生振蕩可能會(huì)干擾信號(hào)甚至?xí)a(chǎn)生比RC濾波器更長(zhǎng)的延遲時(shí)間。圖4所示是通過(guò)硅LC濾波器進(jìn)行的信號(hào)傳輸測(cè)試，從圖中可以看到振蕩效果。

最后，EMI濾波器是使用硅RC還是LC，兩者之間沒(méi)有明顯的性能差異，因?yàn)樗鼈兊奶匦栽趯?shí)際應(yīng)用中基本相同，低阻抗環(huán)境除外。順便提及一下，考慮到現(xiàn)有的硅技術(shù)，電阻的集成密度比電感器高出很多。因此，LC濾波器的制造成本高于RC濾波器。

現(xiàn)在讓我們對(duì)比無(wú)源LC濾波器和硅RC濾波器，大家熟知的兩者之間的差異是，無(wú)源技術(shù)基于集成變阻器(而硅濾波器集成的是二極管)。因此，這種濾波器不如硅RC濾波器耐用，同時(shí)過(guò)濾特性類似于分立電容器，這意味著抑制頻帶尖而窄，不能為新一代多頻手機(jī)100%優(yōu)化。

濾波器的RC耦合是設(shè)計(jì)人員必須精心選擇的首要特性，本質(zhì)上說(shuō)，應(yīng)用的信號(hào)傳輸速度越快，濾波器線路的總電容就應(yīng)該越小。

因此，對(duì)于UART、RS232或音頻線路，標(biāo)準(zhǔn)電容在幾百個(gè)pF范圍內(nèi)的EMI濾波器足以確保優(yōu)秀的濾波性能和最小的信號(hào)干擾。

對(duì)于高速接口像LCD或CMOS傳感器，濾波器的寄生電容對(duì)視頻信號(hào)完整性的影響很大，所以電容值必須降到最低限度，幾十個(gè)兆赫茲的頻率，電容必須小于20pF。

這又帶來(lái)了新的問(wèn)題，因?yàn)闉V波器的濾波性能會(huì)因?yàn)楸旧黼娙葑冃《档汀?br />
因?yàn)樽罱?a target="_blank">半導(dǎo)體設(shè)計(jì)，現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了超低電容EMI濾波器結(jié)構(gòu)，以及超高衰減量、寬帶抑制和符合IEC61000-4-2第4級(jí)的ESD保護(hù)功能。意法半導(dǎo)體是市場(chǎng)上率先推出電容超低、抑制帶寬極大并符合IEC61000-4-2第4級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)的濾波器結(jié)構(gòu)，EMIF08-VID01F2在800MHz到3GHz頻帶內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)30dB以上的衰減抑制，同時(shí)在3V工作電壓時(shí)其線電容只有17pF。

要想取得最佳的濾波性能，除考慮硅產(chǎn)品本身的特性外，還要考慮組件的封裝和布局，這就是大多數(shù)基于硅的EMI濾波器采用400um管腳間距的倒裝片封裝或microQFN封裝的原因。微型封裝的主要優(yōu)勢(shì)之處是寄生電感影響小，從而最大限度地提高了高頻下的衰減特性；其次微型封裝尺寸小，有助產(chǎn)品的微型化趨勢(shì)。

400um管腳間距還可簡(jiǎn)化和最小化濾波器與I/O連接端子之間的布局連接，因此，使用管腳間距較小的新封裝有助于提高PCB＋布局＋濾波器的系統(tǒng)整體性能。圖5所示是ST的一個(gè)超小濾波器的簡(jiǎn)圖。

與分立的電容和電阻占用的PCB電路板空間相比，像EMIF08這樣的倒裝片和mQFN封裝的硅濾波器可節(jié)省PCB空間近70%，將組件數(shù)量從18個(gè)減少到1個(gè)，同時(shí)還能維持或降低應(yīng)用的整體成本。

最后，RC硅濾波器是一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案，其過(guò)濾性能、ESD保護(hù)和PCB空間占用超過(guò)了分立解決方案。除單純的性能對(duì)比外，集成解決方案更適合新一代手機(jī)對(duì)寬衰減帶寬和高密度集成電路板的需求。

本文小結(jié)

在手機(jī)設(shè)計(jì)的初始階段，ESD和EMI問(wèn)題變得越來(lái)越突出，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇專門的方法來(lái)解決ESD和EMI問(wèn)題。雖然保護(hù)組件本身的性能十分關(guān)鍵，但是布局考慮也有助于提高系統(tǒng)的整體防護(hù)性能。