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問題變得更加嚴(yán)重,。這些問題必須在手機(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)局限性已顯露出來了,。

　　簡單比較變阻器和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測試)顯示大約 40V,，比TVS二極管的Vcl測量值高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),，無源器件解決方案還暴露出電氣特性變化的問題,。

　　因此，TVS二極管解決方案在ESD保護(hù)市場占據(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)將會受到潛在的ESD問題的影響，例如二條線路之間的輻射問題,。在這種情況下,，手機(jī)內(nèi)部的ESD干擾控制并沒有被全面優(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)二極管的兩級鉗位概念產(chǎn)生了,。圖1對傳統(tǒng)的單線ESD保護(hù)與新型兩級鉗位二極管組件進(jìn)行了對比。

　　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,。基本上,，前面提及的信號的數(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)二極管可能會在高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生很大的信號干擾,。結(jié)果可能導(dǎo)致USB2.0收發(fā)器無法正常讀取數(shù)據(jù)。而對于USB1.1接口,，寄生電容大約50pF的二極管并不會構(gòu)成任何數(shù)據(jù)完整性問題,。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)射信號的速度非?？欤瑫r(shí)耗電也越來越大,，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SOT666封裝尺寸。USB2.0專用ESD防護(hù)電路見圖3,。

　　
圖3：USB2.0保護(hù)拓?fù)?/p>

　　圖3所示的軌對軌保護(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問題并不是工程師要解決的唯一問題,。因?yàn)槭謾C(jī)發(fā)射和傳送RF信號時(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自己也會產(chǎn)生RF輻射以及射頻干擾,。

　　基本上，很多接口都會容易受到GSM脈沖的攻擊,，如音頻線路或LCD或相機(jī)模塊,，產(chǎn)生能夠聽見的噪聲或可以看見的屏幕抖動。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30db等,。同時(shí),，這些濾波器可針對高速數(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?

　　對上文提及的兩種技術(shù)的純?yōu)V波性能進(jìn)行對比,，在某種意義上我們看見相似的濾波特性,，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濾波器絕對沒有的某些振蕩效應(yīng),。這些寄生振蕩可能會干擾信號甚至?xí)a(chǎn)生比RC濾波器更長的延遲時(shí)間,。圖4所示是通過硅LC濾波器進(jìn)行的信號傳輸測試，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)在讓我們對比無源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，應(yīng)用的信號傳輸速度越快,，濾波器線路的總電容就應(yīng)該越小,。

　　因此，對于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干擾,。

　　對于高速接口像LCD或CMOS傳感器，濾波器的寄生電容對視頻信號完整性的影響很大,，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,。

　　這又帶來了新的問題,，因?yàn)闉V波器的濾波性能會因?yàn)楸旧黼娙葑冃《档汀?/p>

　　因?yàn)樽罱陌雽?dǎo)體設(shè)計(jì)，現(xiàn)在市場上出現(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級的ESD保護(hù)功能。意法半導(dǎo)體是市場上率先推出電容超低,、抑制帶寬極大并符合IEC61000-4-2第4級安全標(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,。

　　400um管腳間距還可簡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)具有競爭力的解決方案,，其過濾性能、ESD保護(hù)和PCB空間占用超過了分立解決方案,。除單純的性能對比外,，集成解決方案更適合新一代手機(jī)對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問題變得越來越突出,，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇專門的方法來解決ESD和EMI問題,。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,。