新一代手机中的EMC和ESD保护问题

中心议题：

　　手机ESD和EMI防护设计

　　手机EMI抗干扰功能

　　解决方案：

　　全新的单线保护

　　ESD阵列优化PCB面积

　　超高速数据线路保护

　　手机EMI滤波器设计

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

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。

图2：ESD二极管阵列保护的Tflash连接器

　　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