浅析应用于便携及消费产品的ESD及EMI保护方案

中心议题：
    *  应用于便携及消费产品的ESD及EMI保护方案
    *  典型电路保护应用示例
解决方案：
    *  安森美半导体便携应用接口ESD保护及EMI滤波方案
    *  安森美半导体消费应用接口ESD保护及EMI滤波方案

对于电子产品而言，保护电路是为了防止电路中的关键敏感型器件受到过流、过压、过热等冲击的损害。保护电路的优劣对电子产品的质量和寿命至关重要。随着消费类电子产品需求的持续增长，更要求有强固的静电放电(ESD)保护，同时还要减少不必要的电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)噪声。此外，消费者希望最新款的消费电子产品可以用小尺寸设备满足越来越高的下载和带宽能力。随着设备的越来越小和融入性能的不断增加，ESD以及许多情况下的EMI/RFI抑制已无法涵盖在驱动所需接口的新一代IC当中。
　　
另外，先进的系统级芯片(SoC)设计都是采用几何尺寸很小的工艺制造的。为了优化功能和芯片尺寸，IC设计人员一直在不断减少其设计的功能的最小尺寸。IC尺寸的缩小导致器件更容易受到ESD电压的损害。
　　
过去，设计人员只要选择符合IEC61000-4-2规范的一个保护产品就足够了。因此，大多数保护产品的数据表只包括符合评级要求。由于集成电路变得越来越敏感，较新的设计都有保护元件来满足标准评级，但ESD冲击仍会形成过高的电压，有可能损坏IC。因此，设计人员必须选择一个或几个保护产品，不仅要符合ESD脉冲要求，而且也可以将ESD冲击钳位到足够低的电压，以确保IC得到保护。
 
图1：美国静电放电协会(ESDA)的ESD保护要求
　　
先进技术实现强大ESD保护
　　
安森美半导体的ESD钳位性能备受业界推崇，钳位性能可从几种方法观察和量化。使用几个标准工具即可测量独立ESD保护器件或集成器件的ESD钳位能力，包括ESD保护功能。第一个工具是ESD IEC61000-4-2 ESD脉冲响应截图，显示的是随时间推移的钳位电压响应，可以看出ESD事件中下游器件的情形。
 
图2：ESD钳钳位截图
　　
除了ESD钳位屏幕截图，另一种方法是测量传输线路脉冲(TLP)来评估ESD钳位性能。由于ESD事件是一个很短的瞬态脉冲，TLP可以测量电流与电压(I-V)数据，其中每个数据点都是从短方脉冲获得的。TLP I-V曲线和参数可以用来比较不同TVS器件的属性，也可用于预测电路的ESD钳位性能。
 
图3：典型TLP I-V曲线图
　

　
安森美半导体提供的高速接口ESD保护保护器件阵容有两种类型。第一类最容易实现，被称为传统设计保护。在这种类型设计中，信号线在器件下运行。这些器件通常是电容最低的产品。
　　
另一类是采用PicoGuard?? XS技术的产品。这种类型设计使用阻抗匹配(Impedance Matched)电路，可保证100 Ω的阻抗，相当于电容为零。这类设计无需并联电感，有助于最大限度地减少封装引起的ESD电压尖峰。

图4：传统方法与PicoGuard?? XS设计方法的对比
　　
安森美半导体的保护和滤波解决方案均基于传统硅芯片工艺技术。相比之下，其它类型的低成本无源解决方案使用的是陶瓷、铁氧体和多层压敏电阻(MLV)组合的材料。这类器件通常ESD钳位性能较差。在某些情况下，传递给下游器件的能量可能比安森美半导体解决方案低一个量级。一些采用旧有技术的产品甚至可能在小量ESD冲击后出现劣化并变得更糟。由于其材料性质，一些无源器件往往表现出温度的不一致性，从而降低了终端系统在标准消费温度和环境温度范围内运行的可靠性。
　　
必须兼顾其它特性
　　
ESD和EMI解决方案可防止不要的信号干扰系统的整体性能。在系统正常运行期间，保护器件还必须保持给定接口良好的信号完整性，换言之它应该是完全“透明”的。安森美半导体的器件适用于运行和保护当今最常用的消费类电子系统接口。通常，使用S参数插入损耗曲线即可测量信号完整性的影响，滤波器解决方案还可以测量滤波器的响应情况，也可以用眼图测量信号完整性(尤其是高速器件)，以证明在无干扰正常运行期间器件可实现的最大数据传输速率。
　　
安森美半导体有两个基本类型的EMI滤波器。第一类是用于并行接口的各种阵列配置的单端低通滤波器；分为传统和通用电阻-电容(RC)版本，以及适用于高速度和功耗敏感接口的电感-电容(LC)版本。
 
图5：单端低通滤波器特性
　　
根据规格，每个元件都有一个通带范围。这些器件的可截止高频范围从700 MHz至6 GHz。
　　
第二类EMI滤波器适用于高速串行接口，功能超过了典型低通滤波器。这类接口是具有固有噪声抑制的差分信号路径，但不会完全免疫来自外部源的共模噪声，或阻止来自辐射到系统其他部分的接口信号。
 
图6：共模滤波器(CMF)特性
　

　
受保护的共模滤波器(pCMF)可以用来消除不必要的共模噪声，也可以防止辐射的有害共模噪声信号从高速接口进入系统的其它部分。同时，它还可以使高速数据通道几乎不受干扰。
　　
除了ESD冲击保护，安森美半导体还提供防止由雷击或功率交叉(power-cross)故障造成浪涌冲击的解决方案。各种消费电子和电信/网络设备中的通用接口都是符合10/100BASE-T和1000BASE-T以太网协议的RJ45接口，其浪涌额定值往往是室内标准。这些接口由四对差分数据线组成，每根线可传输最高250 Mbps的数据速率。这类接口的保护需要确保横向(金属性)浪涌冲击不致损坏敏感的下游芯片（如物理层）。这是通过线至线(每对线)连接分流保护元件(shunt protection element)来转移进入的浪涌能量实现的。
　　
对于较低数据速率(10/100BASE-T)的应用，安森美半导体提供了一种称为TSPD(晶闸管浪涌保护器件)的消弧(crowbar)器件组合，以及用于类似ESD保护的钳位器件。TSPD可提供低钳位电压的优势，并具有较高的浪涌电流能力。例如，这些器件可以满足GR-1089 10/1000 μs标准的要求，因此适合初级端或次级端的保护，也被称为“线端”保护。TVS(瞬态抑制二极管)钳位器件支持8/20 μs脉冲的浪涌级别，通常用于第三级(tertiary)或PHY侧以捕获并安全地消除任何残余浪涌脉冲。
　　
典型电路保护应用示例
　　
智能手机应用是一种比较典型的保护应用，安森美半导体的解决方案包括数据滤波器、ESD保护二极管及阵列和电压保护器件等。消费和便携式应用的USB2.0保护包括高速对、VCC和低电容ESD保护；而USB 3.0则有两个超高速对和一个高速对，以及VCC、低电容ESD保护。eSATA接口有两个高速对和低电容ESD保护。
 
图7：智能手机框图及需要保护的I/O接口(见右下侧浅蓝色背景区域)
　　
针对4至12线的摄像头和显示器的并行接口，安森美半导体有低通LC滤波器+ ESD保护器件，以及3至5个高速串行通道的共模滤波器+ ESD保护。对于便携式HDMI、消费类HDMI/显示端口，可以采用四个高速对、多达6个额外接口线、低电容ESD+共模滤波器方案。
　　
此外，安森美半导体的保护应用还包括音频(音箱/耳机)、SD接口、SIM卡、键盘EMI抑制、以太网，以及T1/E1、T3/E3和xDSL端口等，可以满足消费类电子产品对强大ESD保护及减少EMI/RFI噪声的更高要求。
　　
应用于便携及消费应用接口的强大ESD保护及EMI滤波产品阵容
　　
安森美半导体身为全球高能效电子产品的首要硅方案供应商，在电路保护市场高居第一，为便携及无线、消费、计算机及外设、汽车及电信等市场提供丰富多样的ESD保护及EMI/RFI滤波产品。表1和表2分别列出了安森美半导体应用于便携应用接口及消费应用接口的ESD保护及EMI滤波方案，客户可以根据实际应用需求选择适合的方案。
 
表1：安森美半导体便携应用接口ESD保护及EMI滤波方案
 
 

表2：安森美半导体消费应用接口ESD保护及EMI滤波方案

　　
总结：

安森美半导体在电路保护居于全球领袖地位，其中领先的ESD保护产品包括：业界最低电容、极低钳位电压的传统ESD保护方案；在市场上率先推出的相当于提供零电容的PicoGuard XS保护方案；以及同样是在市场上率先推出的集成ESD保护的共模滤波器方案。这些高集成度保护方案帮助客户保护其产品中速度越来越高的敏感芯片组，并减少电路板占用空间。