中心議題：

• 手機ESD和EMI防護設計
• 手機EMI抗幹擾功能

解決方案：

• 全新的單線保護
• ESD陣列優化PCB麵積
• 超高速數據線路保護
• 手機EMI濾波器設計

最新的無線終端產品大多數都裝備了高速數據接口
、高分辨率LCD屏和相機模塊
，甚至有些手機還安裝了通過DNB連接器接收電視節目的功能。除增加新的功能外
，手機尺寸的挑戰依然沒有變化，手機還在向小巧、輕薄方向發展。眾多功能彙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
，並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

傳統的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的基於串聯電阻和並聯電容器的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幹擾能力
，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biao準zhun時shi

，要yao想xiang實shi現xian整zheng體ti係xi統tong的de穩wen健jian性xing就jiu不bu能neng怱怱視shi這zhe種zhong差cha別bie。除chu這zhe個ge內nei在zai的de電dian壓ya差cha問wen題ti外wai
，在zai手shou機ji使shi用yong壽shou命ming期qi內nei，隨sui著zhe老lao化hua現xian象xiang的de出chu現xian，無wu源yuan器qi件jian解jie決jue方fang案an還hai暴bao露lu出chu電dian氣qi特te性xing變bian化hua的de問wen題ti。

因此，TVS二極管解決方案在ESD保護市場占據很大的份額
，同時集成化的矽解決方案也是EMI濾波器不可或缺的組件。

是采用單線TVS還是ESD陣列保護？

關於某些充分利用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幹擾源最近的地方。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域，最好是設計類似於單線路TVS的保護組件，圍繞電路板在每個按鍵後放置一個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幹擾控製並沒有被全麵優化。

全新的單線保護

正當單線保護器件被廣泛用於抑製ESD放電時，一種在同一封裝內集成兩個並聯二極管的兩級鉗位概念產生了。圖1對傳統的單線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，並聯兩個二極管的方案將輸出殘餘電壓降低40%。此外
，意法半導體(ST)開發的新封裝SOD882還有助於節省PCB空間
，因為即便內置兩個二極管，每線僅占用麵積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。

圖1：單ESD保護概念與雙鉗位二極管對比[page]

雖然單ESD二er極ji管guan在zai鍵jian盤pan應ying用yong中zhong找zhao到dao了le適shi合he自zi己ji的de位wei置zhi，但dan是shi我wo們men不bu妨fang介jie紹shao一yi下xia二er極ji管guan陣zhen列lie解jie決jue方fang案an。在zai多duo條tiao數shu據ju線xian路lu通tong過guo一yi個ge獨du特te的de連lian接jie器qi被bei集ji中zhong在zai一yi點dian的de情qing況kuang中zhong，ESD陣列二極管通常被用於節省電路板空間

，提高連接器保護功能的穩健性。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陣列優化PCB麵積

ESD二極管陣列解決方案的最大優點是，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幹擾的入口點通常集中於一個相對較小的麵積上。

ESD保護二極管被焊接在I/O連接器附近，用於防止61000-4-2標準規定的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。新產品比現有的SOT323和SOT666節省PCB空間高達75%和45%。

超高速數據線路保護

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。基本上，前麵提及的信號的數據傳輸速率越高，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幹擾降至最低。這與TVS二極管的寄生電容有直接的關聯。例如，在USB2.0的情況中，因為數據傳輸速率達到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，寄生線電容高於3.5pF的ESD保護二極管可能會在高速數據傳輸時產生很大的信號幹擾。結果可能導致USB2.0收發器無法正常讀取數據。而對於USB1.1接口，寄生電容大約50pF的二極管並不會構成任何數據完整性問題。這就是USB2.0的ESD保護組件的額定寄生電容在0V時通常要求低於3pF的主要原因。

USBULC6-2P6就是專門為滿足高速數據接口的需求而開發的。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，保證低於3.5pF，可完全滿足USB接口的所有設計要求。

兩(liang)條(tiao)數(shu)據(ju)線(xian)路(lu)之(zhi)間(jian)的(de)差(cha)分(fen)電(dian)容(rong)均(jun)衡(heng)性(xing)是(shi)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)特(te)性(xing)。因(yin)此(ci)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)給(gei)電(dian)容(rong)參(can)數(shu)差(cha)量(liang)極(ji)小(xiao)的(de)數(shu)據(ju)線(xian)路(lu)設(she)計(ji)極(ji)其(qi)相(xiang)似(si)的(de)組(zu)件(jian)。這(zhe)是(shi)矽(gui)二(er)極(ji)管(guan)的(de)一(yi)個(ge)十(shi)分(fen)顯(xian)著(zhu)的(de)優(you)點(dian)
，因(yin)為(wei)變(bian)阻(zu)器(qi)的(de)電(dian)容(rong)偏(pian)差(cha)大(da)約(yue)10%到20%。

新的收發機發射信號的速度非常快
，同時耗電也越來越大，為了有助於優化電池使用壽命，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據線路一樣保護Vbus線路，防護ESD浪湧。
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因為手機還有空間的限製因素，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
，它兼顧了數據完整性、信號均衡性、低功耗和最嚴格的ESD標準。

手機EMI抗幹擾功能

在某情況下，ESD問題並不是工程師要解決的唯一問題。因為手機發射和傳送RF信號時，很多電子組件受到RF輻射，因此
，必須抑製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輻射以及射頻幹擾。

基本上
，很多接口都會容易受到GSM脈衝的攻擊，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輻射抑製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PIxinglvboqishejibuzaishijieshengkongjiandejiejuefangan。ciwai，yinweishuaijiandaikuanhenzhai，zuronglvboqidelvboxingnengjicha。duiyukongjianxianzhijiyan，gongzuopinlvkuodajigepinduandeduopinshoujihe3G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，以矽為材料的集成EMI濾波器是適合所有這些需求的濾波器
，它表現出極寬的衰減範圍
，從800MHz到2GHz或3GHz
，S21參數超過30db等。同時

，這些濾波器可針對高速數據應用實現低寄生電容結構和超小的PCB空間。

矽EMI濾波器：LC型還是RC型?

duishangwentijideliangzhongjishudechunlvboxingnengjinxingduibi，zaimouzhongyiyishangwomenkanjianxiangsidelvbotexing
，liangzhongjiegoudoubiaoxianchujikuandeyizhipindai。zhexiezhuyaotexingdequdeguigongyunenggouzuidaxiandujiangdilvboqi(無論是RC還是LC型)的寄生電感的集成概念。
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然後，LC濾波器能夠優化低頻的插入損耗。與RC濾波器相比，濾波特性在技術規格中確實存在明顯的差別。但是考慮到特性曲線是在50Ω環境中測量到的

，設計師可能注意到
，在應用條件下，因為多數IC是高阻抗元器件，RC濾波器的串聯電阻或LC濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)串(chuan)聯(lian)電(dian)感(gan)對(dui)插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)的(de)影(ying)響(xiang)可(ke)忽(hu)略(lve)不(bu)計(ji)。因(yin)此(ci)，即(ji)使(shi)在(zai)濾(lv)波(bo)器(qi)技(ji)術(shu)規(gui)格(ge)中(zhong)看(kan)到(dao)插(cha)入(ru)損(sun)耗(hao)的(de)差(cha)異(yi)，這(zhe)個(ge)差(cha)異(yi)也(ye)不(bu)真(zhen)地(di)適(shi)合(he)應(ying)用(yong)條(tiao)件(jian)。

盡管如此，我們可以使RC或LC濾波器信號傳輸能力實現差異化。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幹擾信號甚至會產生比RC濾波器更長的延遲時間。圖4所示是通過矽LC濾波器進行的信號傳輸測試，從圖中可以看到振蕩效果。

最後，EMI濾波器是使用矽RC還是LC，兩liang者zhe之zhi間jian沒mei有you明ming顯xian的de性xing能neng差cha異yi，因yin為wei它ta們men的de特te性xing在zai實shi際ji應ying用yong中zhong基ji本ben相xiang同tong，低di阻zu抗kang環huan境jing除chu外wai。順shun便bian提ti及ji一yi下xia，考kao慮lv到dao現xian有you的de矽gui技ji術shu，電dian阻zu的de集ji成cheng密mi度du比bi電dian感gan器qi高gao出chu很hen多duo。因yin此ci，LC濾波器的製造成本高於RC濾波器。

現在讓我們對比無源LC濾波器和矽RC濾波器，大家熟知的兩者之間的差異是

，無源技術基於集成變阻器(而矽濾波器集成的是二極管)。因此
，這種濾波器不如矽RC濾波器耐用
，同時過濾特性類似於分立電容器
，這意味著抑製頻帶尖而窄，不能為新一代多頻手機100%優化。

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
，對於UART、RS232或音頻線路，標準電容在幾百個pF範圍內的EMI濾波器足以確保優秀的濾波性能和最小的信號幹擾。

對於高速接口像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，電容必須小於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
，現在市場上出現了超低電容EMI濾波器結構，以及超高衰減量、寬帶抑製和符合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

、抑製帶寬極大並符合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30dB以上的衰減抑製，同時在3V工作電壓時其線電容隻有17pF。

要想取得最佳的濾波性能，除考慮矽產品本身的特性外

，還要考慮組件的封裝和布局
，這就是大多數基於矽的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於提高PCB＋布局＋濾波器的係統整體性能。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封裝的矽濾波器可節省PCB空間近70%，將組件數量從18個減少到1個，同時還能維持或降低應用的整體成本。

最後
，RC矽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於提高係統的整體防護性能。