解決幾個(gè)主要設(shè)計(jì)難題的思路探討

盡管中國設(shè)計(jì)能力不斷提升，但具體設(shè)計(jì)過程中的一些“老大難”問題依然困擾著廣大工程師。對(duì)于EMI/EMC、低噪聲設(shè)計(jì)、RF電路、信號(hào)處理、電源管理等實(shí)際上是相互關(guān)聯(lián)的，電路匹配和PCB布局布線是解決這些問題的關(guān)鍵一步，與理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)積累分不開。當(dāng)然，“老大難”還常常意味著更多研發(fā)成本和投入，因此我們需要一些新思路和新方法，必要時(shí)可以借助外部資源和力量，這樣才能在有限研發(fā)預(yù)算內(nèi)將設(shè)計(jì)做得盡量完美。

“終極”降噪案例：克服GPS應(yīng)用的EMI

EMI問題普遍存在于電子系統(tǒng)中，而在高頻、無線系統(tǒng)中往往更加突出。對(duì)于如今熱門的GPS應(yīng)用，如何解決EMI問題意義顯得更加重大，因?yàn)镚PS衛(wèi)星距離地面上萬公里，信號(hào)到地面非常弱，不及手機(jī)信號(hào)的千分之一，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念可能會(huì)使GPS成品有很多問題。
現(xiàn)在的GPS手機(jī)很能說明這個(gè)問題，盡管很多公司把產(chǎn)品設(shè)計(jì)出來面市了，但這些產(chǎn)品的系統(tǒng)性能很多達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，甚至發(fā)出錯(cuò)誤信息，對(duì)于車輛導(dǎo)航等應(yīng)用來說是很危險(xiǎn)的，對(duì)于LBS應(yīng)用來說也會(huì)招致用戶的不滿。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，除了磁珠、EMI濾波器等常用手段，天線選擇是控制EMI的有效手段之一，有便攜式導(dǎo)航設(shè)備(PND)設(shè)計(jì)公司曾表示：“我們基本上只用patch天線，還沒有考慮chip全向天線，因?yàn)榈侥壳盀橹刮覀儼l(fā)現(xiàn)還是patch天線的GPS信號(hào)接收效果最好，當(dāng)然這樣其他方面就有折衷，如方向性和尺寸，但性能往往更重要，用戶對(duì)此還能接受。”

不過，很多電子工程師面臨產(chǎn)品快速面市和花時(shí)間掌握技術(shù)的兩難境地。對(duì)此現(xiàn)成的GPS模塊可能是個(gè)更好的選擇，在抗噪聲方面使設(shè)計(jì)的可移植性更好。據(jù)業(yè)內(nèi)人士表示，主流GPS芯片和模塊產(chǎn)品在性能上(靈敏度、功耗和尺寸等)實(shí)際差別不大，品牌和服務(wù)是用戶選擇時(shí)考慮的重點(diǎn)。

現(xiàn)在模塊廠商普遍都宣稱會(huì)協(xié)助用戶進(jìn)行天線選型、電路板布局布線以及其他關(guān)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)咨詢。例如與諾基亞在手機(jī)射頻電路上有多年合作的芬蘭Fastrax就能提供系統(tǒng)化工程服務(wù)，從GPS天線設(shè)計(jì)評(píng)估、原理圖把關(guān)、PCB布局布線設(shè)計(jì)建議，到PCBA的EMI檢測(測試項(xiàng)目多而全)及EMI問題的解決、GPS成品系統(tǒng)設(shè)計(jì)建議及EMI問題的解決(所有服務(wù)免費(fèi)，用戶可將板子寄往芬蘭有技術(shù)專家進(jìn)行檢測和提出改進(jìn)意見，細(xì)到電容、電阻的選擇都給出建議)。

借助供應(yīng)商在線開發(fā)環(huán)境進(jìn)行電源設(shè)計(jì)

另一項(xiàng)極需經(jīng)驗(yàn)積累的設(shè)計(jì)就是電源管理電路，這也是多年來“名列前茅”的幾大挑戰(zhàn)之一。

電源管理IC除了向更高性能(如更高電壓或更高效率或更低噪聲、更高PSRR等)、更高功率密度、具備能源管理和更小尺寸/更先進(jìn)封裝，易用性也是廠商們爭相提升的重要特性。

如今，諸如美國國家半導(dǎo)體、安森美半導(dǎo)體、凹凸微電子等電源器件供應(yīng)商都推出了各具特色的在線或離線(可下載)設(shè)計(jì)工具，以實(shí)現(xiàn)器件的易用性并通過分享廠商自己多年積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來幫助工程師簡化設(shè)計(jì)過程，加快上市時(shí)間。

美國國家半導(dǎo)體亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場總監(jiān)黃漢基介紹說，該公司的WEBENCH在線工具可為工程師推薦合適的器件，并進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，具體到電源設(shè)計(jì)上就是：根據(jù)用戶設(shè)定的輸入電壓、輸出電壓和輸出電流以及工作時(shí)環(huán)境溫度等信息，利用在線電氣仿真和熱仿真，設(shè)計(jì)并優(yōu)化電源，并可快速獲得定制的原型套件。

以該公司帶仿電流模式(ECM)控制的第四代SIMPLE SWITCHER穩(wěn)壓器系列(該系列的產(chǎn)品集成了同步整流開關(guān)FET和PWM單元)為例，除增強(qiáng)了相關(guān)優(yōu)化器(采用“撥號(hào)式”參數(shù)調(diào)諧界面)，WEBENCH在線工具還提供了簡單的環(huán)路補(bǔ)償建模功能。(如圖1)



圖1：國半的在線設(shè)計(jì)工具WEBENCH(這里顯示了帶“撥號(hào)式”SIMPLE SWITHCER開關(guān)穩(wěn)壓器參數(shù)優(yōu)化調(diào)諧界面)。

對(duì)于沒有機(jī)會(huì)被供應(yīng)商“很好地服務(wù)”的中小公司電源工程師來說，可能需要好好利用這類免費(fèi)平臺(tái)去進(jìn)行器件的選型；而對(duì)于非電源專業(yè)的工程師也可利用這類平臺(tái)先找找感覺，按照自己的應(yīng)用要求設(shè)計(jì)出一個(gè)電源電路原型，并進(jìn)行分析和仿真。

ESD問題：先解決器件的評(píng)估與選擇

盡管很多IC器件本身具備一定的ESD保護(hù)功能，但如今越來越多的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要外部的ESD保護(hù)器件?，F(xiàn)有的方案中，壓敏電阻雖然價(jià)格低廉，但經(jīng)歷多重應(yīng)力后性能容易衰退、具有高寄生電容，通態(tài)導(dǎo)電率低；而聚合物雖然寄生電容低，但觸發(fā)電壓高，且性能同樣容易衰退。

因此，隨著當(dāng)今設(shè)計(jì)向小型化、更高密度、更多復(fù)雜功能度，市場對(duì)鉗位性能更優(yōu)異、低泄露使用壽命更長的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)(已有超低電容版本)的需求越來越大，特別是手機(jī)等帶多種高速互連接口的小體積、高密度便攜式消費(fèi)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。“在市場份額方面，壓敏電阻與TVS差不多開始各占一半。”安森美半導(dǎo)體公司亞太區(qū)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品部市場營銷副總裁麥滿權(quán)說。

正如安森美標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品組分立產(chǎn)品部資深技術(shù)專家Robert Ashton博士指出的，IEC61000-4-2等ESD抑制標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的，而在器件級(jí)，業(yè)界尚無更進(jìn)一步的測試標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)廠商有不同的定義和要求。“一般廠商都聲稱ESD器件能承受最高±30KV的應(yīng)力，但其他指標(biāo)的表現(xiàn)可能就大相徑庭了。”

Robert推薦了一種測量鑒定同類ESD器件的直觀方法—相同應(yīng)力電壓觸發(fā)后的屏幕截圖和傳輸線路脈沖(TLP)分析法(圖2是相關(guān)電氣原理圖)，可用它來對(duì)比不同廠商的產(chǎn)品。前者可對(duì)比ESD器件對(duì)大電流導(dǎo)電率(鉗位電壓)、到達(dá)低工作電壓后的時(shí)間，后者通過TLP電流-電壓(I-V)曲線對(duì)ESD器件放電過程一目了然。



圖2：非常適用于測量和鑒定ESD保護(hù)性能的TLP電氣原理圖。

另外，包含幾個(gè)TVS二極管的ESD陣列雖然比同數(shù)量單個(gè)TVS元件在PCB占位面積上更小，更經(jīng)濟(jì)，但安森美的麥滿權(quán)提醒到，這里有一個(gè)電路布局問題，若ESD的導(dǎo)入接口分布在系統(tǒng)相距較遠(yuǎn)的兩側(cè)，那么采用ESD陣列可能導(dǎo)致走線拉長和變得更復(fù)雜，得不償失，這時(shí)候分別采用幾個(gè)獨(dú)立的TVS器件反而更省事，對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響也更小。
最后談?wù)劮庋b。ESD器件的封裝腳間距如今已可做到很小，不過目前大陸很多SMT生產(chǎn)線并不能達(dá)到一些封裝要求的工藝水平，時(shí)常有元件脫落現(xiàn)象，因此工程師選器件還要考慮生產(chǎn)環(huán)節(jié)的匹配問題，最小不一定最合適。

實(shí)現(xiàn)真正具有成本效益的設(shè)計(jì)

不過，很多業(yè)內(nèi)人士表示，中國工程師經(jīng)常迫于老板們要求的上市時(shí)間和成本壓力，不得以可能會(huì)對(duì)“沒有最好只有更好”的設(shè)計(jì)難題如EMI問題簡單處理一下就完事，使得產(chǎn)品的質(zhì)量難以保證，而且產(chǎn)品的功能也會(huì)受到影響。如果你也在為這種折衷而痛苦，那么請?jiān)囍孟旅娴氖聦?shí)去說服你的老板實(shí)現(xiàn)一種真正的成本效益。

聲稱對(duì)中國前五名“貼牌手機(jī)”（即俗稱的“黑手機(jī)”）制造商有所了解的麥滿權(quán)指出，這些公司設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)很強(qiáng)大，對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量的高要求出乎人們的意料，舍得必要的投入。無須承諾“三包”的黑手機(jī)廠商都從做長遠(yuǎn)生意和身份轉(zhuǎn)“正”的角度考慮來要求設(shè)計(jì)的高可靠性，更何況時(shí)刻擔(dān)心客戶投訴或返修而影響品牌形象或丟失利潤的“正經(jīng)”公司呢？除非他不想讓公司發(fā)展壯大。