切勿紙上談兵!實踐操作ESD/EMI保護設計
發布時間:2014-12-27 責任編輯:sherryyu
【導讀】My God!剛gang買mai的de電dian子zi手shou表biao就jiu壞huai了le,是shi不bu是shi很hen多duo時shi候hou遇yu見jian這zhe種zhong該gai買mai不bu久jiu的de東dong西xi莫mo名ming其qi妙miao的de就jiu壞huai了le?很hen納na悶men吧ba,其qi實shi這zhe是shi因yin為wei靜jing電dian將jiang你ni的de電dian子zi產chan品pin裏li的de功gong能neng芯xin片pian給gei擊ji穿chuan、燒毀了,導致功能芯片失效。那麼電子工程師在電子產品的ESD/EMI的保護設計時要如何預防這種情況呢?
xiangxinhenduorenduichuizikejiluoyonghaoyuejiawangzirujiyiyouxin,zaiwangziruduichuizishoujidepingceshipinzhong,wangtandaochuizideanjianhepaixianluoluhuizaochengtongsibeijingdianjichuan,luoyonghaozehuiyingchengjingdianbukenengjichuantongsi,erqiexianzaidechuizishoujiyijingyoubaohucuoshi。qishi,ruguoshizaigongchanglihua,fangjingdianshebeizijizuodemeihuashuo,danduidaduoshuzijikaidianhuozaiweixiubuweixiudepengyoulaishuo,fangjingdianzhedoushizhishangtanbingdeduo。
生sheng活huo中zhong我wo們men也ye常chang有you一yi些xie經jing驗yan,有you些xie電dian子zi產chan品pin剛gang買mai回hui去qu時shi還hai好hao好hao的de,用yong了le一yi陣zhen子zi突tu然ran莫mo名ming奇qi妙miao地di壞huai掉diao了le。這zhe些xie問wen題ti多duo半ban是shi靜jing電dian將jiang你ni的de電dian子zi產chan品pin裏li的de功gong能neng芯xin片pian給gei擊ji穿chuan、shaohuile,daozhigongnengxinpianshixiao。yinci,ruhebaohudianzichanpinmianyushoujingdiancuihuiyizhishishejizhedeyigezhongyaoketi。erzhegewentizuijinjinianbiandegengweiyanzhong,yinweiguoqudeshijiniannei,dianzichanpinyou0.5微米製程一路微縮做到現今的45奈nai米mi製zhi程cheng,把ba芯xin片pian的de組zu件jian尺chi寸cun縮suo小xiao了le一yi百bai多duo倍bei。而er晶jing體ti管guan的de閘zha極ji厚hou度du也ye不bu斷duan的de縮suo減jian使shi得de半ban導dao體ti組zu件jian對dui靜jing電dian防fang護hu能neng力li不bu斷duan的de下xia降jiang,產chan品pin很hen容rong易yi被bei突tu如ru其qi來lai的de靜jing電dian破po壞huai而er失shi效xiao。每mei次ci我wo們men有you意yi無wu意yi的de接jie觸chu到dao電dian子zi產chan品pin就jiu很hen容rong易yi將jiang我wo們men身shen上shang攜xie帶dai的de靜jing電dian放fang電dian給gei這zhe些xie電dian子zi產chan品pin造zao成cheng傷shang害hai。很hen不bu幸xing的de,靜jing電dian是shi由you摩mo擦ca所suo產chan生sheng出chu來lai的de自zi然ran現xian象xiang,沒mei有you簡jian單dan的de方fang法fa可ke以yi讓rang它ta不bu產chan生sheng,因yin此ci我wo們men隻zhi能neng針zhen對dui電dian子zi係xi統tong做zuo必bi要yao的de防fang護hu設she計ji。
防護不全的電子係統在遭受靜電襲擊後常發生死機、dangjihuoxitongbufengongnengbuzhengchang,youxiehuishiduanzanshixiaoranhouhuifuzhengchang,zhexiedoushijingdiankenengzaochengdexianxiang,erjuyouwanzhengfanghudedianzixitongzekewanquanbushoujingdianxijideyingxiang。huanjingzhonghuichuxiandejingdianshijiancong3KV到35KV都有,因此電子係統的靜電測試規格就需依它本身產品的設計狀況及使用的環境來決定,以智能型手機為例,測試規格就應該從12KV起跳。因為手機的包覆材料本身通常能抵擋12KV以下靜電能量進入手機的電子係統,但環境中經常會出現超過12KV的靜電事件,因此唯有測試規格拉到12KV以(yi)上(shang)才(cai)能(neng)確(que)認(ren)手(shou)機(ji)的(de)設(she)計(ji)在(zai)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)中(zhong)可(ke)以(yi)安(an)然(ran)地(di)被(bei)使(shi)用(yong),不(bu)會(hui)受(shou)靜(jing)電(dian)幹(gan)擾(rao)。靜(jing)電(dian)防(fang)護(hu)可(ke)以(yi)有(you)很(hen)多(duo)方(fang)法(fa),其(qi)中(zhong)最(zui)簡(jian)便(bian)也(ye)最(zui)經(jing)濟(ji)的(de)就(jiu)是(shi)在(zai)必(bi)要(yao)的(de)地(di)方(fang)加(jia)入(ru)防(fang)護(hu)的(de)零(ling)件(jian),如(ru)TVS芯片。TVS芯片反應速度快,箝製電壓低到接近電子係統地正常工作電壓,可以提供很好的保護。尤其現在手機或計算機的核心芯片工作電壓都在1V-1.8V,隻有TVS芯片能夠提供必要的保護。
以智能型手機為例,靜電襲擊經常發生在以下的地方:
觸控銀幕:每次手去接觸到觸控銀幕都是一次靜電襲擊。或講電話時臉頰很容易接觸到觸控銀幕也是一種靜電襲擊。
耳機端子:耳機插拔時就是一次靜電襲擊。
手機充電端子:每次手機充電線接入時都是一次靜電襲擊。
USB端子:USB插拔時都是一次靜電襲擊。尤其是USB ON THE GO使用時更有surge襲擊的機會。
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天線:手機天線本身就比較容易受到外來電荷的襲擊。
Sim/Flash卡:手機Sim/Flash卡插拔時也是一次靜電襲擊的機會。
鍵盤:手機鍵盤也是容易遭受靜電襲擊的地方。
因為智能型手機的空間十分狹小,幾乎每一個模塊塊都會受到靜電襲擊,如圖一所示。圖中有加入ESD Protector的地方都是易受靜電襲擊的地方。
另外一種會造成電子產品受傷的是EMI,智能型手機由於係統複雜度高,所有硬件又都集中在極小空間中,電磁幹擾經常造成係統訊號不良/訊xun號hao譯yi碼ma錯cuo誤wu,嚴yan重zhong的de還hai會hui造zao成cheng係xi統tong當dang機ji。由you於yu電dian子zi係xi統tong內nei部bu訊xun號hao傳chuan輸shu的de頻pin率lv速su度du越yue來lai越yue高gao,電dian磁ci幹gan擾rao的de問wen題ti也ye越yue來lai越yue嚴yan重zhong。解jie決jue的de方fang案an就jiu是shi在zai係xi統tong的de各ge種zhong訊xun號hao傳chuan輸shu線xian上shang麵mian針zhen對dui訊xun號hao幹gan擾rao的de頻pin段duan加jia入ru濾波器。傳統上可以使用一階或二階RC/LClvboqijiangsuoxuyaodexunhaolvchulaijiukeyile。jinnianlaiyouyudianzixitongxiaoxinghuaqushi,zhexiechangyongdelvboqidouyijingzhizuochengjichengdianlu,tigongyouxiaodexiaoxinghuajiejuefangan。
同樣的以智能型手機為例,手機上由於天線接收GSM、3G、WLAN及GPS訊號,這些訊號會通過天線模塊傳入核心芯片(CPU),而(er)核(he)心(xin)芯(xin)片(pian)又(you)轉(zhuan)換(huan)出(chu)影(ying)像(xiang)與(yu)聲(sheng)音(yin)訊(xun)號(hao)傳(chuan)到(dao)各(ge)影(ying)音(yin)子(zi)係(xi)統(tong)上(shang)。這(zhe)些(xie)訊(xun)號(hao)都(dou)集(ji)中(zhong)在(zai)很(hen)短(duan)的(de)距(ju)離(li)內(nei)完(wan)成(cheng),不(bu)同(tong)的(de)訊(xun)號(hao)線(xian)間(jian)通(tong)常(chang)距(ju)離(li)在(zai)零(ling)點(dian)幾(ji)公(gong)分(fen)的(de)距(ju)離(li)內(nei),很(hen)容(rong)易(yi)使(shi)得(de)這(zhe)些(xie)頻(pin)率(lv)(或其諧波)互相幹擾。這些幹擾現象可以用濾波器將會幹擾的訊號去除,以得到清晰的訊號。例如送到銀幕的訊號常會幹擾天線收到的GSM訊號,造成天線的接收敏感度下降,典型的做法就是在影像訊號端加上濾波器把1.8GHz頻段的訊號濾掉。

圖二所示是在智能型手機中比較容易發生電磁幹擾的訊號。
仔細比較上圖一和圖二,你會發現幾乎所有會發生EMI問題的地方都有機會發生ESDwenti。zheshijingdianbaohuzhuangzhiyulvboqizhenghezaidanxinpianzhongjiunengdailaidahaochu,yinweizheyangdexinpianbudantigongxunhaolvbogongnengyetigongjingdianbaohugongneng,tigonggengwanzhengdebaohuxiaoguo。zheyangbujinjieshengledianlubanshangdemianjiyejiangdileshengchandechengben。zheyangdexinpianzhuyaoshixuanyongDFN或CSP等超小型封裝以配合產品輕薄短小的趨勢。
需要強調的是,縱然手機機殼具、電路板設計各有不同,靜電防護芯片卻是不可或缺的,EMI濾(lv)波(bo)器(qi)也(ye)是(shi)必(bi)須(xu)的(de)。隻(zhi)有(you)受(shou)到(dao)完(wan)整(zheng)保(bao)護(hu)的(de)智(zhi)能(neng)型(xing)手(shou)機(ji)才(cai)能(neng)真(zhen)正(zheng)提(ti)供(gong)消(xiao)費(fei)者(zhe)可(ke)靠(kao)的(de)手(shou)機(ji)功(gong)能(neng),否(fou)則(ze)手(shou)機(ji)上(shang)數(shu)據(ju)隨(sui)時(shi)可(ke)能(neng)因(yin)為(wei)靜(jing)電(dian)的(de)襲(xi)擊(ji)而(er)瞬(shun)間(jian)化(hua)為(wei)烏(wu)有(you),也(ye)有(you)機(ji)會(hui)因(yin)為(wei)(EMI)訊(xun)號(hao)幹(gan)擾(rao)而(er)失(shi)效(xiao)。智(zhi)能(neng)型(xing)手(shou)機(ji)如(ru)果(guo)在(zai)設(she)計(ji)時(shi)能(neng)將(jiang)靜(jing)電(dian)與(yu)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)防(fang)護(hu)效(xiao)應(ying)加(jia)入(ru)考(kao)慮(lv),手(shou)機(ji)的(de)可(ke)靠(kao)度(du)也(ye)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)世(shi)界(jie)級(ji)的(de)水(shui)平(ping)。其(qi)實(shi)手(shou)機(ji)的(de)可(ke)靠(kao)度(du)往(wang)往(wang)也(ye)就(jiu)決(jue)定(ding)在(zai)這(zhe)幾(ji)顆(ke)不(bu)起(qi)眼(yan)又(you)很(hen)便(bian)宜(yi)的(de)靜(jing)電(dian)與(yu)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)保(bao)護(hu)IC。
因yin為wei靜jing電dian保bao護hu組zu件jian的de價jia格ge很hen低di,置zhi入ru靜jing電dian保bao護hu組zu件jian的de成cheng本ben增zeng加jia很hen少shao,卻que可ke以yi大da幅fu增zeng加jia產chan品pin的de可ke靠kao度du,減jian少shao了le大da部bu分fen的de退tui換huan貨huo需xu求qiu。因yin此ci減jian少shao終zhong端duan客ke戶hu因yin為weiESD/EMI現象造成的退換貨已經是各廠商必須考慮的重點。
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