- 手機各外部接口的ESD保護設計的的探討
- 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，理解今天電子行業正在發生的一個關鍵趨勢是非常重要的。簡言之，包含在今天各種應用采用的許多芯片組中的ESD保護電路數量正在減少。換言之，這些芯片組在嚴重的、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。在這些環境中，ESD可通過設備或工廠的生產線工作人員引入到芯片組上。關鍵的ESD規范包括人體模型(HBM)、帶電器件模型(CDM)和機器模型(MM)。這些測試規范的目的是確保芯片組在制造環境中維持很高的制造良率。
傳統上，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，這已經被證明是件很難做到的事。從圖1可以看出，隨著制造技術轉向90nm以下，將ESD保護水平維持在2，000V的成本，已開始以指數級上升。因此，現在新的目標是降低芯片上的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重ESD事件的傷害。在無法預先控制的消費環境中，必須使用不同的ESD保護規范。這就是IEC61000-4-2。
該IEC規范已被許多應用制造商(手機、智能電話、MP3播放器等)使用來確保其產品可靠地工作，以及不會遭受早期失敗。這一規范的ESD保護電壓水平高很多，因此與HBM不兼容。HBM規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，這些技術的ESD保護性能是不同的。具體來說，導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的應用無法通過ESD測試，但使用另一種技術時又可以通過ESD測試。
目前業內最常見的板級ESD保護器件主要有以下三種，它們的關鍵屬性如下。
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用(如手機和數碼相機等)。
硅保護陣列(SPA)：這類分立和多通道器件設計用于保護數據線和I/O線免受ESD和低級別瞬態浪涌的傷害。它的關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，設計用于產生最小的寄生電容值(<0。2pF)。這一特性允許它們用于高速數字和射頻電路，而不會引起任何信號衰減。
由于手機的設計對象是大眾消費者，而且可在任何環境中使用，因此ESD很有可能會進入其中的一個端口或I/O接口，并導致芯片組出現電氣不穩定現象或完全損壞。圖2用于幫助說明不同電路該用什么樣的ESD保護技術。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，FM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)
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)。應當指出的是，SPA產品具有比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)高速數字接口(如USB2。0)
USB數據總線的數據傳輸速率已從12Mbps(USB1。1)增加到480Mbps(USB2。0)。由于數據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，以防止數據信號不會產生任何失真。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(數字基帶或USB收發器)的ESD敏感度是很重要的。如果它們對ESD非常敏感，SPA產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。其數據傳輸速率一般限于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。滿足這一要求的產品是V9MLA0402L(MLV)和SP1001-04XTG(SPA)。
還應當指出的是，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，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。優化用于對抗這兩種類型瞬態浪涌的器件是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瞬態浪涌能立即分流和減少到盡可能最低的水平，ESD抑制器應安裝在盡可能靠近連接器(ESD網關)的位置。它還應該盡可能靠近數據或信號線。這將最大限度地減少走線長度，并確保可能最佳的ESD保護水平。
8）Littelfuse產品的獨特優勢
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，每種技術都有自己的特性，它們需要根據電路的需求加以權衡。此外，Littelfuse在中國無錫有一個全能實驗室，在那里可以執行元件級和應用級的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。我們有包括現場應用工程師在內的技術人員，他們可以幫助客戶走完ESD抑制器甄選過程。
9）總結
本文通過對手機各外部接口的ESD保護設計的討論，分析了業內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常說的對癥下藥，哲學上的一把鑰匙打開一扇門。讀者可以從本文中學到很好的解決問題的思路。
