新一代手机设计中的EMI抗干扰和ESD保护问题

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  最新的无线终端产品大多数都装备了高速数据接口、高分辨率LCD屏和相机模块，甚至有些手机还安装了通过DNB连接器接收电视节目的功能。除增加新的功能外，手机尺寸的挑战依然没有变化，手机还在向小巧、轻薄方向发展。众多功能汇聚在一个狭小空间内，导致手机设计中的ESD和EMI问题变得更加严重。这些问题必须在手机设计的最初阶段解决，并需要按照应用选择有效的解决办法。

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ESD和EMI防护设计的新挑战
传统的ESD保护或EMI滤波功能是由分立或无源器件解决方案占主导地位，例如，防护ESD的变阻器或防护EMI的基于串联电阻和并联电容器的PI型滤波结构。手机质量标准的提高和新型IC的高EMI敏感度促使设计人员必须提高手机的抗干扰能力，因此某些方案的技术局限性已显露出来了。
简单比较变阻器和TVS二极管的钳位电压Vcl，就可以理解传统解决方案的局限性。变阻器的钳位电压Vcl(8/20ms@Ipp=10A测试)显示大约40V，比TVS二极管的Vcl测量值高60%。当必须实施IEC 61000-4-2标准时，要想实现整体系统的稳健性就不能怱视这种差别。除这个内在的电压差问题外，在手机使用寿命期内，随着老化现象的出现，无源器件解决方案还暴露出电气特性变化的问题。
因此，TVS二极管解决方案在ESD保护市场占据很大的份额，同时集成化的硅解决方案也是EMI滤波器不可或缺的组件。

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是采用单线TVS还是ESD阵列保护？
关于某些充分利用ESD保护二极管的布局建议，我们通常建议尽可能把ESD二极管放置距ESD干扰源最近的地方。最好放在I/O接口或键盘按键的侧边。因此，在选择正确的保护方法之前必须先区分应用形式。
以键盘应用为例，因为ESD源是一个含有多个触点的大区域，最好是设计类似于单线路TVS的保护组件，围绕电路板在每个按键后放置一个ESD二极管。如果采用阵列设计，保护功能将得到保证，但是这种设计将会受到潜在的ESD问题的影响，例如二条线路之间的辐射问题。在这种情况下，手机内部的ESD干扰控制并没有被全面优化。

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全新的单线保护
正当单线保护器件被广泛用于抑制ESD放电时，一种在同一封装内集成两个并联二极管的两级钳位概念产生了。图1对传统的单线ESD保护与新型两级钳位二极管组件进行了对比。
与目前的单线ESD保护二极管相比，这种创新将ESD防护性能进一步提高了。如果实施ESD放电，当在该IC输入端上施加15kV空气放电时，两个钳位级确保输出端残留最少的放电电压。
与单ESD解决方案相比，当施加15kV放电电压时，并联两个二极管的方案将输出残余电压降低40%。此外，意法半导体(ST)开发的新封装SOD882还有助于节省PCB空间，因为即便内置两个二极管，每线仅占用面积0.6mm2。同时，封装高度在0.4到0.5mm之间，特别适合纤薄型和滑板手机。

图1：单ESD保护概念与双钳位二极管对比
虽然单ESD二极管在键盘应用中找到了适合自己的位置，但是我们不妨介绍一下二极管阵列解决方案。在多条数据线路通过一个独特的连接器被集中在一点的情况中，ESD阵列二极管通常被用于节省电路板空间，提高连接器保护功能的稳健性。SIM卡连、手机底座连接器、外部存储卡、手机连接器等都是这种情况，如图2所示。

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ESD阵列优化PCB面积
ESD二极管阵列解决方案的最大优点是，在一个外部尺寸极小的封装内提供4个或5个TVS二极管。实际上，这是保护整个I/O连接器所必须的，因为ESD干扰的入口点通常集中于一个相对较小的面积上。
ESD保护二极管被焊接在I/O连接器附近，用于防止61000-4-2标准规定的8kV接触放电和15kV空气放电时所产生的任何损坏。这意味着当通过一个330Ω电阻给一个150pF电容放电时，ESD保护二极管能够抵抗15kV的电压。
ST最近扩充了保护二极管阵列产品线，推出了一个名为M6的微型封装。新产品比现有的SOT323和SOT666节省PCB空间高达75%和45%。
超高速数据线路保护
按照目标应用的信号传输速度选择TVS二极管是设计高效ESD保护功能的关键之一。基本上，前面提及的信号的数据传输速率越高，ESD保护二极管的电容就要求越低。
因此，必须把保护组件在电流信号上产生的干扰降至最低。这与TVS二极管的寄生电容有直接的关联。例如，在USB2.0的情况中，因为数据传输速率达到480Mbps，所以需要ESD保护组件的电容极低。
实验室的测量结果显示，寄生线电容高于3.5pF的ESD保护二极管可能会在高速数据传输时产生很大的信号干扰。结果可能导致USB2.0收发器无法正常读取数据。而对于USB1.1接口，寄生电容大约50pF的二极管并不会构成任何数据完整性问题。这就是USB2.0的ESD保护组件的额定寄生电容在0V时通常要求低于3pF的主要原因。
USBULC6-2P6就是专门为满足高速数据接口的需求而开发的。这个产品的主要功能是保护USB接口。所有引脚都符合要求最严格的IEC61000-4-2第4级ESD标准。典型线路电容是2.5pF，保证低于3.5pF，可完全满足USB接口的所有设计要求。

图2：ESD二极管阵列保护的Tflash连接器
两条数据线路之间的差分电容均衡性是设计人员必须考虑的另一个特性。因此设计人员可以给电容参数差量极小的数据线路设计极其相似的组件。这是硅二极管的一个十分显著的优点，因为变阻器的电容偏差大约10%到20%。
新的收发机发射信号的速度非常快，同时耗电也越来越大，为了有助于优化电池使用寿命，超低电容的ESD保护二极管的漏电流被降低到1微安以下。
除保护两条数据线路外，还必须保护Vbus线路。这是这个特殊的保护器件的另一个增值之处，因为它保护D+、D-和Vbus三条线路。专用的TVS二极管在相同的条件下像保护数据线路一样保护Vbus线路，防护ESD浪涌。
因为手机还有空间的限制因素，所以USB2.0的三条线路ESD防护不得超过SOT666封装尺寸。USB2.0专用ESD防护电路见图3。
图3所示的轨对轨保护概念是效率最高的高速数据线路ESD防护概念，是速率每秒480Mbits高速串行线路的最佳折衷方案，它兼顾了数据完整性、信号均衡性、低功耗和最严格的ESD标准。

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手机EMI抗干扰功能
在某情况下，ESD问题并不是工程师要解决的唯一问题。因为手机发射和传送RF信号时，很多电子组件受到RF辐射，因此，必须抑制RF辐射以保护正常的工作。甚至在某些情况下，某些IC自己也会产生RF辐射以及射频干扰。
基本上，很多接口都会容易受到GSM脉冲的攻击，如音频线路或LCD或相机模块，产生能够听见的噪声或可以看见的屏幕抖动。这就是在设计手机时强烈推荐EMI滤波器的原因。
在某种意义上，EMI辐射抑制已成为下一代手机如多频手机或3G手机的关键问题，因为现有解决方案即将达到技术极限。
采用分立的电阻和电容的单一阻容PI型滤波器设计不再是节省空间的解决方案。此外，因为衰减带宽很窄，阻容滤波器的滤波性能极差。对于空间限制极严，工作频率扩大几个频段的多频手机和3G手机，这类滤波器的缺陷明显。

图3：USB2.0保护拓扑
设计师开始关注衰减大和衰减频带宽的低通滤波器，以硅为材料的集成EMI滤波器是适合所有这些需求的滤波器，它表现出极宽的衰减范围，从800MHz到2GHz或3GHz，S21参数超过30db等。同时，这些滤波器可针对高速数据应用实现低寄生电容结构和超小的PCB空间。

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硅EMI滤波器：LC型还是RC型?
今天，半导体供应商正在提供LC型或RC型滤波器，问题在于如何为正确的应用选择正确的技术。
对上文提及的两种技术的纯滤波性能进行对比，在某种意义上我们看见相似的滤波特性，两种结构都表现出极宽的抑制频带。这些主要特性的取得归功于能够最大限度降低滤波器(无论是RC还是LC型)的寄生电感的集成概念。
然后，LC滤波器能够优化低频的插入损耗。与RC滤波器相比，滤波特性在技术规格中确实存在明显的差别。但是考虑到特性曲线是在50Ω环境中测量到的，设计师可能注意到，在应用条件下，因为多数IC是高阻抗元器件，RC滤波器的串联电阻或LC滤波器的串联电感对插入损耗的影响可忽略不计。因此，即使在滤波器技术规格中看到插入损耗的差异，这个差异也不真地适合应用条件。
尽管如此，我们可以使RC或LC滤波器信号传输能力实现差异化。特别是在高频下，LC滤波器可能具有RC滤波器绝对没有的某些振荡效应。这些寄生振荡可能会干扰信号甚至会产生比RC滤波器更长的延迟时间。图4所示是通过硅LC滤波器进行的信号传输测试，从图中可以看到振荡效果。
最后，EMI滤波器是使用硅RC还是LC，两者之间没有明显的性能差异，因为它们的特性在实际应用中基本相同，低阻抗环境除外。顺便提及一下，考虑到现有的硅技术，电阻的集成密度比电感器高出很多。因此，LC滤波器的制造成本高于RC滤波器。
现在让我们对比无源LC滤波器和硅RC滤波器，大家熟知的两者之间的差异是，无源技术基于集成变阻器(而硅滤波器集成的是二极管)。因此，这种滤波器不如硅RC滤波器耐用，同时过滤特性类似于分立电容器，这意味着抑制频带尖而窄，不能为新一代多频手机100%优化。
滤波器的RC耦合是设计人员必须精心选择的首要特性，本质上说，应用的信号传输速度越快，滤波器线路的总电容就应该越小。
因此，对于UART、RS232或音频线路，标准电容在几百个pF范围内的EMI滤波器足以确保优秀的滤波性能和最小的信号干扰。
对于高速接口像LCD或CMOS传感器，滤波器的寄生电容对视频信号完整性的影响很大，所以电容值必须降到最低限度，几十个兆赫兹的频率，电容必须小于20pF。
这又带来了新的问题，因为滤波器的滤波性能会因为本身电容变小而降低。
因为最近的半导体设计，现在市场上出现了超低电容EMI滤波器结构，以及超高衰减量、宽带抑制和符合IEC61000-4-2第4级的ESD保护功能。意法半导体是市场上率先推出电容超低、抑制带宽极大并符合IEC61000-4-2第4级安全标准的滤波器结构，EMIF08-VID01F2在800MHz到3GHz频带内可以实现30dB以上的衰减抑制，同时在3V工作电压时其线电容只有17pF。
要想取得最佳的滤波性能，除考虑硅产品本身的特性外，还要考虑组件的封装和布局，这就是大多数基于硅的EMI滤波器采用400um管脚间距的倒装片封装或microQFN封装的原因。微型封装的主要优势之处是寄生电感影响小，从而最大限度地提高了高频下的衰减特性；其次微型封装尺寸小，有助产品的微型化趋势。
400um管脚间距还可简化和最小化滤波器与I/O连接端子之间的布局连接，因此，使用管脚间距较小的新封装有助于提高PCB＋布局＋滤波器的系统整体性能。图5所示是ST的一个超小滤波器的简图。
与分立的电容和电阻占用的PCB电路板空间相比，像EMIF08这样的倒装片和mQFN封装的硅滤波器可节省PCB空间近70%，将组件数量从18个减少到1个，同时还能维持或降低应用的整体成本。
最后，RC硅滤波器是一个具有竞争力的解决方案，其过滤性能、ESD保护和PCB空间占用超过了分立解决方案。除单纯的性能对比外，集成解决方案更适合新一代手机对宽衰减带宽和高密度集成电路板的需求。
本文小结
在手机设计的初始阶段，ESD和EMI问题变得越来越突出，必须根据实际应用选择专门的方法来解决ESD和EMI问题。虽然保护组件本身的性能十分关键，但是布局考虑也有助于提高系统的整体防护性能。
为提高新一代手机的EMI抗干扰性能和ESD抗静电性能，ST在2006年全面增强了产品组合，推出了微型超薄单线ESD保护产品，这是一个产品型号齐全的ESD阵列，其microQFN封装占用电路板空间比SOT666和其它专用产品如USB2.0接口专用超低电容保护组件低40%。此外，新系列EMI滤波器取得了新的突破，在一个倒装片或400um管脚间距的microQFN封装内组装了超小或超大的电容结构。

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作者：S. Mosquera Duran
IPAD及保护产品部市场经理

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