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?
相(xiang)信(xin)很(hen)多(duo)人(ren)對(dui)錘(chui)子(zi)科(ke)技(ji)羅(luo)永(yong)浩(hao)約(yue)架(jia)王(wang)自(zi)如(ru)記(ji)憶(yi)猶(you)新(xin),在(zai)王(wang)自(zi)如(ru)對(dui)錘(chui)子(zi)手(shou)機(ji)的(de)評(ping)測(ce)視(shi)頻(pin)中(zhong),王(wang)談(tan)到(dao)錘(chui)子(zi)的(de)按(an)鍵(jian)和(he)排(pai)線(xian)裸(luo)露(lu)會(hui)造(zao)成(cheng)銅(tong)絲(si)被(bei)靜(jing)電(dian)擊(ji)穿(chuan),羅(luo)永(yong)浩(hao)則(ze)回(hui)應(ying)稱(cheng)靜(jing)電(dian)不(bu)可(ke)能(neng)擊(ji)穿(chuan)銅(tong)絲(si),而(er)且(qie)現(xian)在(zai)的(de)錘(chui)子(zi)手(shou)機(ji)已(yi)經(jing)有(you)保(bao)護(hu)措(cuo)施(shi)。其(qi)實(shi),如(ru)果(guo)是(shi)在(zai)工(gong)廠(chang)裏(li)話(hua),防(fang)靜(jing)電(dian)設(she)備(bei)自(zi)己(ji)做(zuo)得(de)沒(mei)話(hua)說(shuo),但(dan)對(dui)大(da)多(duo)數(shu)自(zi)己(ji)開(kai)店(dian)或(huo)在(zai)維(wei)修(xiu)部(bu)維(wei)修(xiu)的(de)朋(peng)友(you)來(lai)說(shuo),防(fang)靜(jing)電(dian)這(zhe)都(dou)是(shi)指(zhi)上(shang)談(tan)兵(bing)的(de)多(duo)。
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、燒shao毀hui了le,導dao致zhi功gong能neng芯xin片pian失shi效xiao。因yin此ci,如ru何he保bao護hu電dian子zi產chan品pin免mian於yu受shou靜jing電dian摧cui毀hui一yi直zhi是shi設she計ji者zhe的de一yi個ge重zhong要yao課ke題ti。而er這zhe個ge問wen題ti最zui近jin幾ji年nian變bian得de更geng為wei嚴yan重zhong,因yin為wei過guo去qu的de十shi幾ji年nian內nei,電dian子zi產chan品pin由you0.5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ruTVS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/LC濾lv波bo器qi將jiang所suo需xu要yao的de訊xun號hao濾lv出chu來lai就jiu可ke以yi了le。近jin年nian來lai由you於yu電dian子zi係xi統tong小xiao型xing化hua趨qu勢shi,這zhe些xie常chang用yong的de濾lv波bo器qi都dou已yi經jing製zhi作zuo成cheng集ji成cheng電dian路lu,提ti供gong有you效xiao的de小xiao型xing化hua解jie決jue方fang案an。
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,EMIlvboqiyeshibixude。zhiyoushoudaowanzhengbaohudezhinengxingshoujicainengzhenzhengtigongxiaofeizhekekaodeshoujigongneng,fouzeshoujishangshujusuishikenengyinweijingdiandexijiershunjianhuaweiwuyou,yeyoujihuiyinwei(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huIC。
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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