中心議題：

手機ESD和EMI防護設計

手機EMI抗干擾功能

解決方案：

全新的單線保護

ESD陣列優化PCB面積

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。眾多功能匯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，并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的基于串聯電阻和并聯電容器的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干擾能力，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標準時，要想實現整體系統的穩健性就不能S視這種差別。除這個內在的電壓差問題外，在手機使用壽命期內，隨著老化現象的出現，無源器件解決方案還暴露出電氣特性變化的問題。

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

是采用單線TVS還是ESD陣列保護?

關于某些充分利用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干擾源最近的地方。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，最好是設計類似于單線路TVS的保護組件，圍繞電路板在每個按鍵后放置一個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干擾控制并沒有被全面優化。

全新的單線保護

正當單線保護器件被廣泛用于抑制ESD放電時，一種在同一封裝內集成兩個并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，并聯兩個二極管的方案將輸出殘余電壓降低40%。此外，意法半導體(ST)開發的新封裝 SOD882還有助于節省PCB空間，因為即便內置兩個二極管，每線僅占用面積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。

雖然單ESD二極管在鍵盤應用中找到了適合自己的位置，但是我們不妨介紹一下二極管陣列解決方案。在多條數據線路通過一個獨特的連接器被集中在一點的情況中，ESD陣列二極管通常被用于節省電路板空間，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面積

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干擾的入口點通常集中于一個相對較小的面積上。

ESD保護二極管被焊接在I/O連接器附近，用于防止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，前面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干擾降至最低。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，寄生線電容高于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干擾。結果可能導致USB2.0收發器無法正常讀取數據。而對于USB1.1接口，寄生電容大約50pF的二極管并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時通常要求低于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，保證低于3.5pF，可完全滿足USB接口的所有設計要求。

兩條數據線路之間的差分電容均衡性是設計人員必須考慮的另一個特性。因此設計人員可以給電容參數差量極小的數據線路設計極其相似的組件。這是硅二極管的一個十分顯著的優點，因為變阻器的電容偏差大約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，為了有助于優化電池使用壽命，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浪涌。