新一代手機設計中ESD和EMI問題解決方法

中心議題：

手機ESD和EMI防護設計?

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)據線路保護?

手機EMI濾波器設計?

最新的無線終端產品大多數(shù)都裝備了高速數(shù)據接口、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，導致手機設計中的ESD和EMI問題變得更加嚴重。這些問題必須在手機設計的最初階段解決，并需要按照應用選擇有效的解決辦法。

ESD和EMI防護設計的新挑戰(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型濾波結構。手機質量標準的提高和新型IC的高EMI敏感度促使設計人員必須提高手機的抗干擾能力，因此某些方案的技術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)健性就不能怱視這種差別。除這個內在的電壓差問題外，在手機使用壽命期內，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邊。因此，在選擇正確的保護方法之前必須先區(qū)分應用形式。

以鍵盤應用為例，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。如果采用陣列設計，保護功能將得到保證，但是這種設計將會受到潛在的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，一種在同一封裝內集成兩個并聯(lián)二極管的兩級鉗位概念產生了。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品線，推出了一個名為M6的微型封裝。新產品比現(xiàn)有的SOT323和SOT666節(jié)省PCB空間高達75%和45%。

超高速數(shù)據線路保護

按照目標應用的信號傳輸速度選擇TVS二極管是設計高效ESD保護功能的關鍵之一?；旧希懊嫣峒暗男盘柕臄?shù)據傳輸速率越高，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生的干擾降至最低。這與TVS二極管的寄生電容有直接的關聯(lián)。例如，在USB2.0的情況中，因為數(shù)據傳輸速率達到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)據傳輸時產生很大的信號干擾。結果可能導致USB2.0收發(fā)器無法正常讀取數(shù)據。而對于USB1.1接口，寄生電容大約50pF的二極管并不會構成任何數(shù)據完整性問題。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)據接口的需求而開發(fā)的。這個產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接口的所有設計要求。

兩條數(shù)據線路之間的差分電容均衡性是設計人員必須考慮的另一個特性。因此設計人員可以給電容參數(shù)差量極小的數(shù)據線路設計極其相似的組件。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)據線路一樣保護Vbus線路，防護ESD浪涌。

因為手機還有空間的限制因素，所以USB2.0的三條線路ESD防護不得超過SOT666封裝尺寸。USB2.0專用ESD防護電路見圖3。?

圖3：USB2.0保護拓撲

圖3所示的軌對軌保護概念是效率最高的高速數(shù)據線路ESD防護概念，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)據完整性、信號均衡性、低功耗和最嚴格的ESD標準。

手機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。因為手機發(fā)射和傳送RF信號時，很多電子組件受到RF輻射，因此，必須抑制RF輻射以保護正常的工作。甚至在某些情況下，某些IC自己也會產生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或相機模塊，產生能夠聽見的噪聲或可以看見的屏幕抖動。這就是在設計手機時強烈推薦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如多頻手機或3G手機的關鍵問題，因為現(xiàn)有解決方案即將達到技術極限。

采用分立的電阻和電容的單一阻容PI型濾波器設計不再是節(jié)省空間的解決方案。此外，因為衰減帶寬很窄，阻容濾波器的濾波性能極差。對于空間限制極嚴，工作頻率擴大幾個頻段的多頻手機和3G手機，這類濾波器的缺陷明顯。

設計師開始關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，這些濾波器可針對高速數(shù)據應用實現(xiàn)低寄生電容結構和超小的PCB空間。

硅EMI濾波器：LC型還是RC型?

對上文提及的兩種技術的純?yōu)V波性能進行對比，在某種意義上我們看見相似的濾波特性，兩種結構都表現(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，濾波特性在技術規(guī)格中確實存在明顯的差別。但是考慮到特性曲線是在50Ω環(huán)境中測量到的，設計師可能注意到，在應用條件下，因為多數(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。因此，即使在濾波器技術規(guī)格中看到插入損耗的差異，這個差異也不真地適合應用條件。

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。這些寄生振蕩可能會干擾信號甚至會產生比RC濾波器更長的延遲時間。圖4所示是通過硅LC濾波器進行的信號傳輸測試，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，因為它們的特性在實際應用中基本相同，低阻抗環(huán)境除外。順便提及一下，考慮到現(xiàn)有的硅技術，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100%優(yōu)化。

濾波器的RC耦合是設計人員必須精心選擇的首要特性，本質上說，應用的信號傳輸速度越快，濾波器線路的總電容就應該越小。

因此，對于UART、RS232或音頻線路，標準電容在幾百個pF范圍內的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，幾十個兆赫茲的頻率，電容必須小于20pF。

這又帶來了新的問題，因為濾波器的濾波性能會因為本身電容變小而降低。

因為最近的半導體設計，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了超低電容EMI濾波器結構，以及超高衰減量、寬帶抑制和符合IEC61000-4-2第4級的ESD保護功能。意法半導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級安全標準的濾波器結構，EMIF08-VID01F2在800MHz到3GHz頻帶內可以實現(xiàn)30dB以上的衰減抑制，同時在3V工作電壓時其線電容只有17pF。

要想取得最佳的濾波性能，除考慮硅產品本身的特性外，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個減少到1個，同時還能維持或降低應用的整體成本。

最后，RC硅濾波器是一個具有競爭力的解決方案，其過濾性能、ESD保護和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對寬衰減帶寬和高密度集成電路板的需求。

本文小結

在手機設計的初始階段，ESD和EMI問題變得越來越突出，必須根據實際應用選擇專門的方法來解決ESD和EMI問題。雖然保護組件本身的性能十分關鍵，但是布局考慮也有助于提高系統(tǒng)的整體防護性能。