【導讀】我們在第 1 部分介紹了 ESD 的基本概念以及系統高效 ESD 設計 (SEED)。本博客將為您介紹 SEED 工具箱中所有必要的部分。第 3 部分將介紹如何將 SEED 方法及建模和模擬一起用于優(yōu)化系統級手機設計。
本博客系列共分為 3 部分，這是第 2 部分，介紹靜電放電 (ESD) 的各個(gè)方面以及移動(dòng)設備的系統級 ESD 設計。
我們在第 1 部分介紹了 ESD 的基本概念以及系統高效 ESD 設計 (SEED)。本博客將為您介紹 SEED 工具箱中所有必要的部分。第 3 部分將介紹如何將 SEED 方法及建模和模擬一起用于優(yōu)化系統級手機設計。
更新一下，SEED 就是…
…一種協(xié)同設計方法，包含板載和片上 ESD 保護功能，用于分析和實(shí)現系統級 ESD 穩健性。該方法要求對 ESD 應力事件期間外部 ESD 脈沖之間的相互作用、完整的系統級電路板設計以及設備引腳特性有一個(gè)全面的了解。
板載 ESD 保護器件
作為一個(gè)總體戰略，您可以在 PC 電路板上使用許多保護元件，以保護終端產(chǎn)品免受 ESD 事件的影響。這些保護元件包括：
無(wú)源和有源元件，如：
● 串聯(lián)電阻
● 去耦電容
● 鐵氧體磁珠
● 抑制裝置，如電磁干擾 (EMI)/ESD 濾波器
● 瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS)
TVS 元件：
● 聚合物變阻器
● 陶瓷變阻器
● 火花隙s
● 硅二極管
然而，使用這些元件時(shí)應謹記以下幾點(diǎn)：
● 電阻、電容、電感-電容 (LC) 濾波器和鐵氧體磁珠在系統中衰減間接或二級 ESD 應力方面表現良好。一個(gè)有效的方法就是，需要將這些元件盡可能置于 ESD 應力對象（模塊引腳）附近。
● 您可以將串聯(lián)電阻與去耦電容（電阻-電容 [RC] 濾波器）或電壓箝位一起使用。
● 電容提供去耦性。選擇的電容最好具有高額定電壓、高共振頻率、低電阻和低電感。確保在連接電容時(shí)實(shí)現軌跡長(cháng)度的最短化。
● LC 濾波器可阻隔瞬變電壓和 EMI。
● 串聯(lián)鐵氧體磁珠可衰減電源線(xiàn)上的 EMI 和 ESD。
● 變阻器可從高待機值變?yōu)闃O低導電值，從而吸收 ESD 能量，并限制 ESD 誘發(fā)性電壓。它們通常具有較高的觸發(fā)電壓（幾百伏）和高達 100 V 的箝位電壓，同時(shí)具有非常低的電容，但能夠在長(cháng)時(shí)間的 ESD 應力之后顯示明顯的漏電流。
● 根據待保護的接口類(lèi)型，硅基 TVS 二極管也可以具有較低的電容和比其他 TVS 元件更低的動(dòng)態(tài)電阻值。它們具有較高的 ESD 吸附能力（即一旦 ESD 觸電被吸附，保護裝置就會(huì )非?？焖俚胤祷氐礁咦杩範顟B(tài)）。適合高速/RF 應用的 TVS 二極管可提供非常低的觸發(fā)電壓（低于 100 V）和箝位電壓（低于 20 V），同時(shí)具有出色的響應時(shí)間。
但請注意：片外保護器件的電容將導致 RF 通道中的不匹配性。為彌補這些不匹配性，設計人員需要調整其 RF 和天線(xiàn)路徑中的匹配網(wǎng)絡(luò )。
術(shù)語(yǔ)表
● C:電容
● CS: 并聯(lián)電容
● EMI: 電磁干擾
● ESD:靜電放電
● FCC: 聯(lián)邦通信委員會(huì )
● GND: 接地
● HPF:高通濾波器
● IC: 集成電路
● IEC:國際電工委員會(huì )
● L: 電感器
● LC: 電感-電容
● LS: 并聯(lián)電感器
● PC: 印刷電路
● PCB: 印刷電路板
● RC: 電阻-電容
● RF: 射頻
● RFFE: RF 前端
● Rx: 接收
● SEED: 系統高效 ESD 設計
● TVS: 瞬態(tài)電壓抑制器
● Tx: 發(fā)送
● VL: 電感電壓
更多關(guān)于瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 的信息
TVS 二極管是實(shí)現 ESD 保護的首選元件之一。當誘發(fā)性電壓超過(guò)雪崩擊穿電壓時(shí)，它們通過(guò)分流過(guò)電流的方式運行。它們是一種箝位裝置，抑制所有高于擊穿電壓的過(guò)電壓。當不存在過(guò)電壓時(shí)，它們會(huì )自動(dòng)重置至關(guān)閉狀態(tài)，但會(huì )吸收更多內部的瞬態(tài)能量。
TVS 二極管可以是單向二極管，也可以是雙向二極管。雙向二極管可使用兩個(gè)相互對立的雪崩二極管以串聯(lián)的方式表示，如下所示，并連接至相對于被保護引腳的并聯(lián)配置。這些設備均制造為單個(gè)封裝元件。
對于 RF 應用中的 ESD 保護，必須保持盡可能小的 TVS 二極管電容。這可避免輸入匹配的失諧，從而使保護設備產(chǎn)生較少的諧波失真。
下圖顯示了雙向 TVS 二極管的電流-電壓 (I-V) 曲線(xiàn)。您可以看到，TVS 相對于原點(diǎn)呈對稱(chēng)狀，且可針對正極和負極 ESD 觸電進(jìn)行 ESD 保護。
下圖比較了變阻器、聚合物和 TVS 二極管響應 ESD 觸電的殘留電壓。大家可以看到，當今的硅基 TVS 二極管是針對 ESD 觸電最有效的方法。
板載 TVS 二極管位置的重要性
然而，TVS 的位置具有重要影響。如果電路設計不當，則 ESD 保護就不會(huì )那么有效。請記住，這些一般原則：
● 在開(kāi)發(fā) PC 電路板時(shí)，請注意軌跡不要太長(cháng)，因為這會(huì )產(chǎn)生不必要的電感。
● 記?。号c TVS 設備串聯(lián)的電容會(huì )使一級 ESD 電流路徑斷開(kāi)，而添加至一級 ESD 電流路徑的任何 RF 電感都會(huì )提高殘留路徑中的總阻抗。
● 如果將 TVS 置于合適的位置，就不需要其他 ESD 元件。
那么什么是合適的位置？如下圖所示，您應該：
● 只使用 TVS。
● 切勿將 TVS 置于電容或電感器的前面或后面。
● 確保沒(méi)有軌跡。應將 TVS 置于 RF 路徑和接地之間。
接地：機械因素
為緩解 ESD 事件，必須對成品的每一方面進(jìn)行正確的接地——PC 電路板、所有 IC 芯片和元件、外殼、蓋子等。確保在終端產(chǎn)品接地時(shí)考慮了以下所有方面：
● 所有金屬件必須通過(guò)低阻抗路徑連接至系統接地。
● 浮動(dòng)金屬部件都有 ESD 危險。
● 所有金屬部件都必須接地，或如果適用，更換為塑料件。
● 多個(gè)互聯(lián)的 PC 電路板設計可能會(huì )導致高電阻電感系統接地。當一級 TVS 和 RF 模塊置于不同的 PC 電路板上時(shí)，應特別注意保護天線(xiàn)。
一級和二級 ESD 保護
了解一級和二級 ESD 保護是 SEED 方法的基本組成部分。通常：
● 一級保護是在板上進(jìn)行，稱(chēng)為主要箝位。
● 二級保護是在片上進(jìn)行，稱(chēng)為輔助箝位。
一級和二級 ESD 保護階段的協(xié)同設計是 SEED 方法的基本概念。
下圖顯示了 RF 前端 (RFFE) 中針對 ESD 保護的主要和輔助箝位的高級基本視圖。
注意：一些系統設計需要在 IC 前放置一個(gè)額外的板載輔助箝位，以減少元件引腳可能存在的任何殘留 ESD 電荷。
我們來(lái)進(jìn)一步了解一級和二級保護：
● 一級保護（板載）：一級保護可能包含箝位元件，如并聯(lián)電感器或 TVS 元件（二極管、變阻器和火花隙）。這些主要箝位可分流較大的 ESD 電流。主要箝位主要為與直接 ESD 能量入口接觸的外部連接和其他接口。此外，它們在減少 IC 元件引腳處出現的殘留 ESD 應力方面發(fā)揮著(zhù)重要作用。
● 二級保護（片上）：二級保護用于箝住設備引腳處積累的任何殘留 ESD 應力。ESD 瞬態(tài)的形狀在很大程度上取決于板載主要箝位特性和 PC 電路板設計。
一級和二級 ESD 保護階段的協(xié)同設計（即板載和片上保護）是 SEED 方法的基本概念。這兩個(gè)階段可在兩個(gè)分支的載流能力通過(guò)串聯(lián)阻抗實(shí)現平衡的位置提供必要的保護。
模擬和分析這兩個(gè)保護階段可幫助電路板設計人員選擇適當的板載保護箝位電平，以確保能夠有效地處理抵達 IC 的峰值殘留脈沖。利用模擬實(shí)現的 SEED 保護設計要求將國際電工委員會(huì ) (IEC) 應力模型、基于 SEED 參數的 TVS 和 IC 接口引腳模型以及隔離阻抗電路（即 PC 電路板上的電路）整合在一起。我們將在第 3 部分詳細介紹如何模擬和分析 SEED 設計。
RF 前端 (RFFE) 的保護戰略
不同的應用需要不同的 ESD 保護。一種方法或許能夠滿(mǎn)足您的應用需求，但可能不適用于其他應用。最終，您使用的設計必須通過(guò) FCC 和 IEC 測試，這樣您的產(chǎn)品才能獲得認證并出售。
我們來(lái)看看可用于 RFFE 中 ESD 保護的幾種戰略。
戰略 1：基本保護——并聯(lián)電感器
最基本的方法是采用一個(gè)并聯(lián)電感器。如下圖所示，電感器 (L) 是 ESD 電流脈沖的主要分流元件。該電感器的 nH 范圍應比較低 (<20 nH)，這樣才能構成有效的 ESD 保護解決方案。但它會(huì )增加插入損耗，帶來(lái)一些 RF 性能挑戰。并聯(lián)電容通常用于實(shí)現 RF 匹配，而非 ESD 保護。
戰略 2：?jiǎn)渭壐咄V波器
第二種方法采用單級高通濾波器 (HPF)，如下圖所示。然而，這可能并不是最有效的方法。
優(yōu)點(diǎn)：
● 提供良好的全帶寬 ESD 覆蓋。
● 可合理地減少 ESD 脈沖幅度，同時(shí)允許蜂窩頻率范圍通過(guò)。
缺點(diǎn)：
● 會(huì )產(chǎn)生較高的殘留電壓 (Vpeak >100 V)。
● 需要較低的電感，以確保最優(yōu)性能（這意味著(zhù)實(shí)現 RF 與 ESD 性能權衡）。
戰略 3：兩級 ESD 保護
第三種方法使用兩級 ESD 保護，如下圖所示。該方法將 TVS 作為一級保護，并將 HPF 作為二級 ESD 保護，以捕獲殘留應力。
如下圖中看到的那樣：
● 第一級保護 (TVS) 箝住低于 20V 的電壓，從而將峰值電壓降至 50V 以下。
● 第二級保護中的 HPF 進(jìn)一步降低殘留電壓脈沖，箝住低于 10V 的電壓，從而將峰值電壓降至 20V 以下。
ESD 保護的最佳方法
最終，您是在試圖降低 IC 在 ESD 觸電中遇到的電壓；目的是在其擊中 IC 之前降低所有峰值電壓。我們認為理想的 ESD 戰略就是兩級方法，第一級使用 TVS 元件（TVS 二極管），第二級使用 HPF 網(wǎng)絡(luò )。
優(yōu)勢：
● 它可以提高您的電路板級 ESD 保護，并為您提供通過(guò) IEC 測試的最佳機會(huì )。
● 此外，它還可以減少 ESD 脈沖幅度和 RF 路徑上的殘留電壓。
● 雙向 TVS 二極管有助于防止正極和負極脈沖影響。
● 高通濾波器可箝住任何殘留電壓脈沖。
● 從而為元件引腳提供最佳保護。
接下來(lái)：在系統設計中實(shí)現 SEED
當移動(dòng)設備未通過(guò)認證測試時(shí)，在設計周期后期出現 ESD 問(wèn)題并不罕見(jiàn)。我們了解到最佳方法就是從一開(kāi)始（設計整個(gè)電路板之前）就進(jìn)行 ESD 保護和 RF 設計規劃，因為這樣可以減少波動(dòng)、設計困擾和認證問(wèn)題。
現在，您已經(jīng)清楚解決 ESD 問(wèn)題的背景信息和工具。接下來(lái)的博客將詳細探討 SEED 方法，以及如何將其整合至您的系統級設計中。
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