新一代手機中的EMC和ESD保護問題

中心議題：

手機ESD和EMI防護設(shè)計

手機EMI抗干擾功能

解決方案：

全新的單線保護

ESD陣列優(yōu)化PCB面積

超高速數(shù)據(jù)線路保護

手機EMI濾波器設(shè)計

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屏和相機模塊，甚至有些手機還安裝了通過DNB連接器接收電視節(jié)目的功能。除增加新的功能外，手機尺寸的挑戰(zhàn)依然沒有變化，手機還在向小巧、輕薄方向發(fā)展。眾多功能匯聚在一個狹小空間內(nèi)，導(dǎo)致手機設(shè)計中的ESD和EMI問題變得更加嚴重。這些問題必須在手機設(shè)計的最初階段解決，并需要按照應(yīng)用選擇有效的解決辦法。

ESD和EMI防護設(shè)計的新挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)的ESD保護或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ESD的變阻器或防護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)。手機質(zhì)量標準的提高和新型IC的高EMI敏感度促使設(shè)計人員必須提高手機的抗干擾能力，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%。當必須實施IEC 61000-4-2標準時，要想實現(xiàn)整體系統(tǒng)的穩(wěn)健性就不能S視這種差別。除這個內(nèi)在的電壓差問題外，在手機使用壽命期內(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保護市場占據(jù)很大的份額，同時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?

關(guān)于某些充分利用ESD保護二極管的布局建議，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，在選擇正確的保護方法之前必須先區(qū)分應(yīng)用形式。

以鍵盤應(yīng)用為例，因為ESD源是一個含有多個觸點的大區(qū)域，最好是設(shè)計類似于單線路TVS的保護組件，圍繞電路板在每個按鍵后放置一個ESD二極管。如果采用陣列設(shè)計，保護功能將得到保證，但是這種設(shè)計將會受到潛在的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

正當單線保護器件被廣泛用于抑制ESD放電時，一種在同一封裝內(nèi)集成兩個并聯(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保護與新型兩級鉗位二極管組件進行了對比。

與目前的單線ESD保護二極管相比，這種創(chuàng)新將ESD防護性能進一步提高了。如果實施ESD放電，當在該IC輸入端上施加15kV空氣放電時，兩個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，當施加15kV放電電壓時，并聯(lián)兩個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，因為即便內(nèi)置兩個二極管，每線僅占用面積0.6mm2。同時，封裝高度在0.4到0.5mm之間，特別適合纖薄型和滑板手機。

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)線路通過一個獨特的連接器被集中在一點的情況中，ESD陣列二極管通常被用于節(jié)省電路板空間，提高連接器保護功能的穩(wěn)健性。SIM卡連、手機底座連接器、外部存儲卡、手機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)點是，在一個外部尺寸極小的封裝內(nèi)提供4個或5個TVS二極管。實際上，這是保護整個I/O連接器所必須的，因為ESD干擾的入口點通常集中于一個相對較小的面積上。

ESD保護二極管被焊接在I/O連接器附近，用于防止61000-4-2標準規(guī)定的8kV接觸放電和15kV空氣放電時所產(chǎn)生的任何損壞。這意味著當通過一個330Ω電阻給一個150pF電容放電時，ESD保護二極管能夠抵抗15kV的電壓。

ST最近擴充了保護二極管陣列產(chǎn)品線，推出了一個名為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75%和45%。

超高速數(shù)據(jù)線路保護

按照目標應(yīng)用的信號傳輸速度選擇TVS二極管是設(shè)計高效ESD保護功能的關(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保護二極管的電容就要求越低。

因此，必須把保護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，因為數(shù)據(jù)傳輸速率達到480Mbps，所以需要ESD保護組件的電容極低。

實驗室的測量結(jié)果顯示，寄生線電容高于3.5pF的ESD保護二極管可能會在高速數(shù)據(jù)傳輸時產(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保護組件的額定寄生電容在 0V時通常要求低于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。這個產(chǎn)品的主要功能是保護USB接口。所有引腳都符合要求最嚴格的IEC61000-4-2第4級ESD標準。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)計要求。

兩條數(shù)據(jù)線路之間的差分電容均衡性是設(shè)計人員必須考慮的另一個特性。因此設(shè)計人員可以給電容參數(shù)差量極小的數(shù)據(jù)線路設(shè)計極其相似的組件。這是硅二極管的一個十分顯著的優(yōu)點，因為變阻器的電容偏差大約10%到20%。

新的收發(fā)機發(fā)射信號的速度非?？?，同時耗電也越來越大，為了有助于優(yōu)化電池使用壽命，超低電容的ESD保護二極管的漏電流被降低到1微安以下。

除保護兩條數(shù)據(jù)線路外，還必須保護Vbus線路。這是這個特殊的保護器件的另一個增值之處，因為它保護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數(shù)據(jù)線路一樣保護Vbus線路，防護ESD浪涌。