- 手機各外部接口的ESD保護設(shè)計的的探討
- 認識主要的三種板級ESD保護器件
- 從手機中的電路入手選擇最佳解決方案
在考慮為手機的ESD保護選擇ESD保護元件之前，理解今天電子行業(yè)正在發(fā)生的一個關(guān)鍵趨勢是非常重要的。簡言之，包含在今天各種應(yīng)用采用的許多芯片組中的ESD保護電路數(shù)量正在減少。換言之，這些芯片組在嚴(yán)重的、用戶生成的ESD事件下免受損壞的能力正在下降。
目前幾乎所有的芯片組都有片上ESD保護。ESD電路放在芯片的外圍和鄰近I/O焊墊處，它用于在晶圓制造和后端裝配流程中保護芯片組。在這些環(huán)境中，ESD可通過設(shè)備或工廠的生產(chǎn)線工作人員引入到芯片組上。關(guān)鍵的ESD規(guī)范包括人體模型(HBM)、帶電器件模型(CDM)和機器模型(MM)。這些測試規(guī)范的目的是確保芯片組在制造環(huán)境中維持很高的制造良率。
傳統(tǒng)上，芯片制造商一直試圖維持HBM要求的2，000V水平。從成本效益比的角度來看，這已經(jīng)被證明是件很難做到的事。從圖1可以看出，隨著制造技術(shù)轉(zhuǎn)向90nm以下，將ESD保護水平維持在2，000V的成本，已開始以指數(shù)級上升。因此，現(xiàn)在新的目標(biāo)是降低芯片上的ESD保護水平，但維持相同的高制造良率水平。
目前普遍接受的關(guān)鍵ESD保護電壓水平約為500V。在這一水平，芯片成本增加得較合理，良率水平也不會受到損害。這是因為典型的晶圓廠和裝配車間有將ESD限制在500V或以下的政策。
因此，即使所有的芯片組在裸片上包含一些ESD保護電路，其目的也只是確保制造的高良率。不過，這一級別的ESD保護不足于保護芯片組免受消費者實際使用手機時將會碰到的嚴(yán)重ESD事件的傷害。在無法預(yù)先控制的消費環(huán)境中，必須使用不同的ESD保護規(guī)范。這就是IEC61000-4-2。
該IEC規(guī)范已被許多應(yīng)用制造商(手機、智能電話、MP3播放器等)使用來確保其產(chǎn)品可靠地工作，以及不會遭受早期失敗。這一規(guī)范的ESD保護電壓水平高很多，因此與HBM不兼容。HBM規(guī)范要求的測試集中在500V。另一方面，IEC中的空氣放電方法要求的測試可以超過15，000V。
這意味著，在芯片組的ESD保護能力和應(yīng)用可靠性所要求的測試水平之間存在著一個非常大的差距。這通常意味著板級ESD元件(如多層壓敏電阻、聚合物ESD抑制器和硅保護陣列)必須填補這一差距。要注意的一點是，這些技術(shù)的ESD保護性能是不同的。具體來說，導(dǎo)通時間和鉗位電壓差別很大。這意味著，對敏感的芯片組來說，有可能使用其中某種技術(shù)的應(yīng)用無法通過ESD測試，但使用另一種技術(shù)時又可以通過ESD測試。
目前業(yè)內(nèi)最常見的板級ESD保護器件主要有以下三種，它們的關(guān)鍵屬性如下。
多層壓敏電阻(MLV)：這類基于氧化鋅的器件可提供ESD保護和低級別的電涌保護。它們的小形狀因子(尺寸已下降到0402和0201)使得它們非常適合于便攜式應(yīng)用(如手機和數(shù)碼相機等)。
硅保護陣列(SPA)：這類分立和多通道器件設(shè)計用于保護數(shù)據(jù)線和I/O線免受ESD和低級別瞬態(tài)浪涌的傷害。它的關(guān)鍵特性是非常低的鉗位電壓，這允許它們保護最敏感的電路。
聚合物ESD抑制器(PGB)：這是最新的技術(shù)，設(shè)計用于產(chǎn)生最小的寄生電容值(<0。2pF)。這一特性允許它們用于高速數(shù)字和射頻電路，而不會引起任何信號衰減。
由于手機的設(shè)計對象是大眾消費者，而且可在任何環(huán)境中使用，因此ESD很有可能會進入其中的一個端口或I/O接口，并導(dǎo)致芯片組出現(xiàn)電氣不穩(wěn)定現(xiàn)象或完全損壞。圖2用于幫助說明不同電路該用什么樣的ESD保護技術(shù)。它表明，所有的電路都有可能為ESD進入手機提供一個途徑。
了解了上述信息后，我們就可以分析手機中的不同電路，并選擇最佳的解決方案。
1)天線電路(GSM/CDMA/藍牙和FM收音機)
這些是低電壓電路，而且它們還用于承載高頻信號。GSM/CDMA/GPRS工作在800MHz到1900MHz；藍牙工作在2400MHz，F(xiàn)M收音機工作頻率可高達約108MHz。為了保持射頻信號的完整性，ESD抑制器的關(guān)鍵特性是一個非常低的電容值。由于這個原因，推薦使用PGB2010402(PGB)。它的電容值僅有0。07pF，不會衰減射頻信號。
2)音頻接口(耳機、揚聲器和麥克風(fēng))
這些電路承載20Hz到30，000Hz之間的音頻信號。由于這些是低頻電路，ESD保護器的電容并不需要是最小的。不過，通過仔細控制電容值(20pF到30pF)，有可能在進行ESD保護的同時也獲得一些EMI濾波效果。為了滿足這些特性，推薦的解決方案包括V9MLA0402L(MLV)和SP1003-01DTG(SPA)。應(yīng)當(dāng)指出的是，SPA產(chǎn)品具有比MLV器件更低的鉗位電壓，因此它可能是更合適的選擇，如果音頻CODEC芯片組對ESD非常敏感的話。
3)高速數(shù)字接口(如USB2。0)
USB數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率已從12Mbps(USB1。1)增加到480Mbps(USB2。0)。由于數(shù)據(jù)傳輸速率是如此之高，因此有必要盡量減少ESD保護器的電容值，以防止數(shù)據(jù)信號不會產(chǎn)生任何失真。出于這個原因，推薦在USB總線的D+和D-線路采用PGB2010402(PGB)和SP3003-02XTG(SPA)進行保護。同樣，了解芯片組(數(shù)字基帶或USB收發(fā)器)的ESD敏感度是很重要的。如果它們對ESD非常敏感，SPA產(chǎn)品線就是更好的選擇。
4)LCD模塊/SIM插座/SD和MMC接口
總的來說，這些電路并不屬于高速。其數(shù)據(jù)傳輸速率一般限于20Mbps或更低。因此，如果ESD保護器的電容值是40pF或更低，就不會有任何信號完整性問題。滿足這一要求的產(chǎn)品是V9MLA0402L(MLV)和SP1001-04XTG(SPA)。
還應(yīng)當(dāng)指出的是，一些LCD模塊和智能卡正在使用高達200Mbps的高速接口。因此，與USB2。0一樣，有必要將ESD保護器的電容值減到最小。針對這些高速總線推薦的解決方案是PGB2010402(PGB)和SP3003-04XTG(SPA)。
最后，對于滑蓋和翻蓋手機來說，連接主板和顯示板的柔性電路可能很容易受到電磁干擾和ESD的破壞。在這些情況下，解決方案應(yīng)該能夠完成濾波和ESD抑制功能。SP6001-04UTG和SP6002-04UTG恰好包括集成的∏濾波器和ESD保護。
5)鍵盤和按鈕
這些接口電路只是簡單的DC開關(guān)，工作電壓為5VDC或更小，但它們可以為ESD進入模擬基帶芯片組提供一條途徑。選擇決定可基于ESD抑制器的形狀因子。對于分立器件來說，推薦使用V5。5MLA0402(MLV)和SP1003-04DTG。如希望選擇省空間的多通道陣列，推薦使用SP1001-04XTG。
6)充電輸入口
充電輸入口為鋰離子電池組的重新充電提供電源，但它也可能將ESD或雷電浪涌引入手機。優(yōu)化用于對抗這兩種類型瞬態(tài)浪涌的器件是V5。5MLA0603(30A，8×20μs)和V5。5MLA0402(20A，8×20μs)。
7）ESD抑制器的布線指南
下面是需要補充的最后一點。如果ESD抑制器沒能放在PCB板上的正確位置，那么所選ESD抑制器的有效性可能會大幅降低。為了確保ESD瞬態(tài)浪涌能立即分流和減少到盡可能最低的水平，ESD抑制器應(yīng)安裝在盡可能靠近連接器(ESD網(wǎng)關(guān))的位置。它還應(yīng)該盡可能靠近數(shù)據(jù)或信號線。這將最大限度地減少走線長度，并確?？赡茏罴训腅SD保護水平。
8）Littelfuse產(chǎn)品的獨特優(yōu)勢
Littelfuse為市場提供了許多獨特的好處。作為一個擁有所有三種ESD保護技術(shù)的制造商的，我們可以為客戶提供最好的解決方案。如上所述，每種技術(shù)都有自己的特性，它們需要根據(jù)電路的需求加以權(quán)衡。此外，Littelfuse在中國無錫有一個全能實驗室，在那里可以執(zhí)行元件級和應(yīng)用級的ESD測試。這些能力的例子包括ESD脈沖(IEC61000-4-2)、浪涌脈沖、插入損耗和誤碼率(BERT)測試。我們有包括現(xiàn)場應(yīng)用工程師在內(nèi)的技術(shù)人員，他們可以幫助客戶走完ESD抑制器甄選過程。
9）總結(jié)
本文通過對手機各外部接口的ESD保護設(shè)計的討論，分析了業(yè)內(nèi)最常見的主要有三種板級ESD保護器件，文中提到的方法是：可以分析手機中的不同電路，并選擇最佳的解決方案。這種思路也是我們中醫(yī)常說的對癥下藥，哲學(xué)上的一把鑰匙打開一扇門。讀者可以從本文中學(xué)到很好的解決問題的思路。
