智能手机ESD/EMI的挑战和解决之道

【导读】很多人猜测iPhone 5会带有NFC功能，而实际并非如此，对产品用户体验要求甚严的苹果，或许也受到了NFC天线的ESD挑战。智能手机的ESD/EMI问题是手机设计工程师必须要面对的问题，一旦处理不当，就会造成死机或当机的情况频发，令用户体验评价急速下降。

智能手机的ESD如何应对？

防护不全的电子系统在遭受静电袭击后常发生死机、当机或系统部分功能不正常，有些会是短暂失效然后恢复正常，这些都是静电可能造成的现象，而具有完整防护的电子系统则可完全不受静电袭击的影响。环境中会出现的静电事件从3KV到35KV都有，因此电子系统的静电测试规格就需依它本身产品的设计状况及使用的环境来决定，对于智能手机，测试规格就应该从12KV起跳。因为手机的包覆材料本身通常能抵挡12KV以下静电能量进入手机的电子系统，但环境中经常会出现超过12KV的静电事件，因此唯有测试规格拉到12KV以上才能确认手机的设计在使用环境中可以安然地被使用，不会受静电干扰。静电防护可以有很多方法，其中最简便也最经济的就是在必要的地方加入防护的零件，如TVS芯片。TVS芯片反应速度快，箝制电压低到接近电子系统地正常工作电压，可以提供很好的保护。尤其现在手机或计算机的核心芯片工作电压都在1V-1.8V，只有TVS芯片能够提供必要的保护。

以智能型手机为例，静电袭击经常发生在以下的地方：

触控银幕：每次手去接触到屏幕都是一次静电袭击。或讲电话时脸颊很容易接触到触控银幕也是一种静电袭击。
耳机端子：耳机插拔时就是一次静电袭击。
手机充电端子：每次手机充电线接入时都是一次静电袭击。
USB端子：USB插拔时都是一次静电袭击。尤其是USB ON THE GO使用时更有surge袭击的机会。
天线：手机天线本身就比较容易受到外来电荷的袭击。
Sim/Flash卡：手机Sim/Flash卡插拔时也是一次静电袭击的机会。
键盘：手机键盘也是容易遭受静电袭击的地方。
 
因为智能型手机的空间十分狭小，几乎每一个模块块都会受到静电袭击。

图1：加入ESD Protector的地方都是易受静电袭击的地方

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另外一种会造成电子产品受伤的是EMI，智能型手机由于系统复杂度高，所有硬件又都集中在极小空间中，电磁干扰经常造成系统讯号不良/讯号译码错误，严重的还会造成系统当机。由于电子系统内部讯号传输的频率速度越来越高，电磁干扰的问题也越来越严重。解决的方案就是在系统的各种讯号传输线上面针对讯号干扰的频段加入滤波器。传统上可以使用一阶或二阶RC/LC滤波器将所需要的讯号滤出来就可以了。近年来由于电子系统小型化趋势，这些常用的滤波器都已经制作成集成电路，提供有效的小型化解决方案。

同样的以智能型手机为例，手机上由于天线接收GSM、3G、WLAN及GPS讯号，这些讯号会通过天线模块传入核心芯片(CPU)，而核心芯片又转换出影像与声音讯号传到各影音子系统上。这些讯号都集中在很短的距离内完成，不同的讯号线间通常距离在零点几公分的距离内，很容易使得这些频率(或其谐波)互相干扰。这些干扰现象可以用滤波器将会干扰的讯号去除，以得到清晰的讯号。例如送到银幕的讯号常会干扰天线收到的GSM讯号，造成天线的接收敏感度下降，典型的做法就是在影像讯号端加上滤波器把1.8GHz频段的讯号滤掉。

图2：智能型手机中比较容易发生电磁干扰的讯号

仔细比较上图一和图二，你会发现几乎所有会发生EMI问题的地方都有机会发生ESD问题。这时静电保护装置与滤波器整合在单芯片中就能带来大好处，因为这样的芯片不但提供讯号滤波功能也提供静电保护功能，提供更完整的保护效果。这样不仅节省了电路板上的面积也降低了生产的成本。这样的芯片主要是选用DFN或CSP等超小型封装以配合产品轻薄短小的趋势。
 
需要强调的是，纵然手机机壳具、电路板设计各有不同，静电防护芯片却是不可或缺的，EMI滤波器也是必须的。只有受到完整保护的智能型手机才能真正提供消费者可靠的手机功能，否则手机上数据随时可能因为静电的袭击而瞬间化为乌有，也有机会因为(EMI)讯号干扰而失效。智能型手机如果在设计时能将静电与电磁干扰防护效应加入考虑，手机的可靠度也可以达到世界级的水平。其实手机的可靠度往往也就决定在这几颗不起眼又很便宜的静电与电磁干扰保护IC。因为静电保护组件的价格很低，置入静电保护组件的成本增加很少，却可以大幅增加产品的可靠度，减少了大部分的退换货需求。因此减少终端客户因为ESD/EMI现象造成的退换货以撙节成本已经是各厂商的竞争重点。

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NFC天线ESD解决之道

将NFC与行动电话整合在一起，提供消费者以近距离感测方式进行有价交易，是现在广为讨论与实现的功能。但在大家热中于讨论与实现NFC的各种整合与实现方式时，有一项不可被忽视的影响是静电放电(ESD)的冲击经由NFC天线对整个NFC的沟通功能所造成的错误动作。行动电话这些电子产品由于频繁地与人体接触，很容易受到静电放电(ESD)的冲击。此外，这些电子产品所采用的IC大多是使用最先进的半导体制程技术，所使用的组件闸极氧化层很薄且接面很浅，很容易受到ESD的冲击而造成损伤。因此，这些电子产品需要额外的ESD保护组件来避免ESD冲击产生系统当机，甚至硬件受到损坏， 而NFC天线是必须有ESD保护组件保护的第一关。

针对行动电话这些可携式电子产品所使用的ESD保护组件需符合下列几项要求：

第一、为符合这类电子产品轻薄小巧、易于携带的需求，ESD保护组件的尺寸必须够小，例如0402封装尺寸，甚至0201封装尺寸，以达到在PCB设计上兼具高聚集度及高度弹性的优势。
 
第二、ESD保护组件接脚本身的寄生电容必须要小，避免讯号受到干扰。例如使用在天线(antenna)的ESD保护组件，必须考虑到天线所使用的频段，不同频段所能够接受的最小寄生电容值，通常使用在天线的ESD保护组件其寄生电容值必须小于1pF，甚至更低。

第三、ESD保护组件所适用的最大工作电压及单向或双向特性的选择，必须考虑讯号上下摆动的最高及最低电压，避免讯号受到影响。例如使用在手机的天线，讯号最高电压通常会超过10V且最低电压会低于0V，必须选择适用此讯号电压的双向ESD保护组件；使用在GPS的天线，最高电压通常小于5V且最低电压不会低于0V，可使用5V单向的ESD保护组件。

第四、ESD防护组件本身对ESD的耐受能力必须要高，最少要能承受IEC 61000-4-2接触模式8kV的ESD轰击。

第五、也是最重要的，ESD保护组件在ESD事件发生期间所提供的箝制电压(clamping voltage)必须要够低，除了提供受保护电路免于遭受静电放电的冲击而造成永久的损伤，还要能确保讯号传输不会受到ESD的干扰。

针对这些可携式电子产品，对于ESD保护组件的设计需要同时符合上述所有要求，困难度变的很高。 
 
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应对NFC天线ESD器件

针对NFC应用中的天线保护有一款ESD保护组件AZ4217-01，这是目前业界唯一提供适用于最大工作电压17V，具有0402封装尺寸、极低电容、双向特性的ESD保护组件。

图3：器件外观

图4：器件电性表

图5：电容特性

图6：ESD箝制电压特性

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RF天线的ESD防护

除了NFC天线外，在行动电话上还有其它许多RF天线的设计同时存在，因此同样需要对这些天线设计有ESD防护功能。因此晶焱科技另有推出一系列ESD防护组件来保护这些RF天线，如具有极低电容0.5pF/0.8pF 的ESD保护组件AZ5325-01F/AZ5425-01F，能满足IEC 61000-4-2接触模式至少8kV的ESD轰击。另有0201封装尺寸且其ESD耐受度更可高达15kV的AZ5A15-01F，以及具有最低的箝制电压仅有11V的AZ5215-01F，能提供系统产品于ESD测试时最佳的防护效果。图7是这系列ESD保护组件的菜单，图8、9是利用传输线脉冲系统(TLP)测量ESD箝制电压的结果，观察TLP电流为17A(等效IEC 61000-4-2接触模式6kV测试)时的箝制电压，与其它相同应用的产品作比较，均具有最低的箝制电压。

图7：晶焱科技推出小尺寸低电容ESD保护组件

图8：5-V双向ESD保护组件的TLP测试曲线

图9：5-V单向ESD保护组件的TLP测试曲线