【導(dǎo)讀】很多人猜測(cè)iPhone 5會(huì)帶有NFC功能，而實(shí)際并非如此，對(duì)產(chǎn)品用戶體驗(yàn)要求甚嚴(yán)的蘋果，或許也受到了NFC天線的ESD挑戰(zhàn)。智能手機(jī)的ESD/EMI問題是手機(jī)設(shè)計(jì)工程師必須要面對(duì)的問題，一旦處理不當(dāng)，就會(huì)造成死機(jī)或當(dāng)機(jī)的情況頻發(fā)，令用戶體驗(yàn)評(píng)價(jià)急速下降。
智能手機(jī)的ESD如何應(yīng)對(duì)？
防護(hù)不全的電子系統(tǒng)在遭受靜電襲擊后常發(fā)生死機(jī)、當(dāng)機(jī)或系統(tǒng)部分功能不正常，有些會(huì)是短暫失效然后恢復(fù)正常，這些都是靜電可能造成的現(xiàn)象，而具有完整防護(hù)的電子系統(tǒng)則可完全不受靜電襲擊的影響。環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)的靜電事件從3KV到35KV都有，因此電子系統(tǒng)的靜電測(cè)試規(guī)格就需依它本身產(chǎn)品的設(shè)計(jì)狀況及使用的環(huán)境來(lái)決定，對(duì)于智能手機(jī)，測(cè)試規(guī)格就應(yīng)該從12KV起跳。因?yàn)槭謾C(jī)的包覆材料本身通常能抵擋12KV以下靜電能量進(jìn)入手機(jī)的電子系統(tǒng)，但環(huán)境中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)超過12KV的靜電事件，因此唯有測(cè)試規(guī)格拉到12KV以上才能確認(rèn)手機(jī)的設(shè)計(jì)在使用環(huán)境中可以安然地被使用，不會(huì)受靜電干擾。靜電防護(hù)可以有很多方法，其中最簡(jiǎn)便也最經(jīng)濟(jì)的就是在必要的地方加入防護(hù)的零件，如TVS芯片。TVS芯片反應(yīng)速度快，箝制電壓低到接近電子系統(tǒng)地正常工作電壓，可以提供很好的保護(hù)。尤其現(xiàn)在手機(jī)或計(jì)算機(jī)的核心芯片工作電壓都在1V-1.8V，只有TVS芯片能夠提供必要的保護(hù)。
以智能型手機(jī)為例，靜電襲擊經(jīng)常發(fā)生在以下的地方：
觸控銀幕：每次手去接觸到屏幕都是一次靜電襲擊。或講電話時(shí)臉頰很容易接觸到觸控銀幕也是一種靜電襲擊。
耳機(jī)端子：耳機(jī)插拔時(shí)就是一次靜電襲擊。
手機(jī)充電端子：每次手機(jī)充電線接入時(shí)都是一次靜電襲擊。
USB端子：USB插拔時(shí)都是一次靜電襲擊。尤其是USB ON THE GO使用時(shí)更有surge襲擊的機(jī)會(huì)。
天線：手機(jī)天線本身就比較容易受到外來(lái)電荷的襲擊。
Sim/Flash卡：手機(jī)Sim/Flash卡插拔時(shí)也是一次靜電襲擊的機(jī)會(huì)。
鍵盤：手機(jī)鍵盤也是容易遭受靜電襲擊的地方。
因?yàn)橹悄苄褪謾C(jī)的空間十分狹小，幾乎每一個(gè)模塊塊都會(huì)受到靜電襲擊。
圖1：加入ESD Protector的地方都是易受靜電襲擊的地方
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另外一種會(huì)造成電子產(chǎn)品受傷的是EMI，智能型手機(jī)由于系統(tǒng)復(fù)雜度高，所有硬件又都集中在極小空間中，電磁干擾經(jīng)常造成系統(tǒng)訊號(hào)不良/訊號(hào)譯碼錯(cuò)誤，嚴(yán)重的還會(huì)造成系統(tǒng)當(dāng)機(jī)。由于電子系統(tǒng)內(nèi)部訊號(hào)傳輸?shù)念l率速度越來(lái)越高，電磁干擾的問題也越來(lái)越嚴(yán)重。解決的方案就是在系統(tǒng)的各種訊號(hào)傳輸線上面針對(duì)訊號(hào)干擾的頻段加入濾波器。傳統(tǒng)上可以使用一階或二階RC/LC濾波器將所需要的訊號(hào)濾出來(lái)就可以了。近年來(lái)由于電子系統(tǒng)小型化趨勢(shì)，這些常用的濾波器都已經(jīng)制作成集成電路，提供有效的小型化解決方案。
同樣的以智能型手機(jī)為例，手機(jī)上由于天線接收GSM、3G、WLAN及GPS訊號(hào)，這些訊號(hào)會(huì)通過天線模塊傳入核心芯片(CPU)，而核心芯片又轉(zhuǎn)換出影像與聲音訊號(hào)傳到各影音子系統(tǒng)上。這些訊號(hào)都集中在很短的距離內(nèi)完成，不同的訊號(hào)線間通常距離在零點(diǎn)幾公分的距離內(nèi)，很容易使得這些頻率(或其諧波)互相干擾。這些干擾現(xiàn)象可以用濾波器將會(huì)干擾的訊號(hào)去除，以得到清晰的訊號(hào)。例如送到銀幕的訊號(hào)常會(huì)干擾天線收到的GSM訊號(hào)，造成天線的接收敏感度下降，典型的做法就是在影像訊號(hào)端加上濾波器把1.8GHz頻段的訊號(hào)濾掉。
圖2：智能型手機(jī)中比較容易發(fā)生電磁干擾的訊號(hào)
仔細(xì)比較上圖一和圖二，你會(huì)發(fā)現(xiàn)幾乎所有會(huì)發(fā)生EMI問題的地方都有機(jī)會(huì)發(fā)生ESD問題。這時(shí)靜電保護(hù)裝置與濾波器整合在單芯片中就能帶來(lái)大好處，因?yàn)檫@樣的芯片不但提供訊號(hào)濾波功能也提供靜電保護(hù)功能，提供更完整的保護(hù)效果。這樣不僅節(jié)省了電路板上的面積也降低了生產(chǎn)的成本。這樣的芯片主要是選用DFN或CSP等超小型封裝以配合產(chǎn)品輕薄短小的趨勢(shì)。
需要強(qiáng)調(diào)的是，縱然手機(jī)機(jī)殼具、電路板設(shè)計(jì)各有不同，靜電防護(hù)芯片卻是不可或缺的，EMI濾波器也是必須的。只有受到完整保護(hù)的智能型手機(jī)才能真正提供消費(fèi)者可靠的手機(jī)功能，否則手機(jī)上數(shù)據(jù)隨時(shí)可能因?yàn)殪o電的襲擊而瞬間化為烏有，也有機(jī)會(huì)因?yàn)?EMI)訊號(hào)干擾而失效。智能型手機(jī)如果在設(shè)計(jì)時(shí)能將靜電與電磁干擾防護(hù)效應(yīng)加入考慮，手機(jī)的可靠度也可以達(dá)到世界級(jí)的水平。其實(shí)手機(jī)的可靠度往往也就決定在這幾顆不起眼又很便宜的靜電與電磁干擾保護(hù)IC。因?yàn)殪o電保護(hù)組件的價(jià)格很低，置入靜電保護(hù)組件的成本增加很少，卻可以大幅增加產(chǎn)品的可靠度，減少了大部分的退換貨需求。因此減少終端客戶因?yàn)镋SD/EMI現(xiàn)象造成的退換貨以撙節(jié)成本已經(jīng)是各廠商的競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)。
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NFC天線ESD解決之道
將NFC與行動(dòng)電話整合在一起，提供消費(fèi)者以近距離感測(cè)方式進(jìn)行有價(jià)交易，是現(xiàn)在廣為討論與實(shí)現(xiàn)的功能。但在大家熱中于討論與實(shí)現(xiàn)NFC的各種整合與實(shí)現(xiàn)方式時(shí)，有一項(xiàng)不可被忽視的影響是靜電放電(ESD)的沖擊經(jīng)由NFC天線對(duì)整個(gè)NFC的溝通功能所造成的錯(cuò)誤動(dòng)作。行動(dòng)電話這些電子產(chǎn)品由于頻繁地與人體接觸，很容易受到靜電放電(ESD)的沖擊。此外，這些電子產(chǎn)品所采用的IC大多是使用最先進(jìn)的半導(dǎo)體制程技術(shù)，所使用的組件閘極氧化層很薄且接面很淺，很容易受到ESD的沖擊而造成損傷。因此，這些電子產(chǎn)品需要額外的ESD保護(hù)組件來(lái)避免ESD沖擊產(chǎn)生系統(tǒng)當(dāng)機(jī)，甚至硬件受到損壞， 而NFC天線是必須有ESD保護(hù)組件保護(hù)的第一關(guān)。
針對(duì)行動(dòng)電話這些可攜式電子產(chǎn)品所使用的ESD保護(hù)組件需符合下列幾項(xiàng)要求：
第一、為符合這類電子產(chǎn)品輕薄小巧、易于攜帶的需求，ESD保護(hù)組件的尺寸必須夠小，例如0402封裝尺寸，甚至0201封裝尺寸，以達(dá)到在PCB設(shè)計(jì)上兼具高聚集度及高度彈性的優(yōu)勢(shì)。
第二、ESD保護(hù)組件接腳本身的寄生電容必須要小，避免訊號(hào)受到干擾。例如使用在天線(antenna)的ESD保護(hù)組件，必須考慮到天線所使用的頻段，不同頻段所能夠接受的最小寄生電容值，通常使用在天線的ESD保護(hù)組件其寄生電容值必須小于1pF，甚至更低。
第三、ESD保護(hù)組件所適用的最大工作電壓及單向或雙向特性的選擇，必須考慮訊號(hào)上下擺動(dòng)的最高及最低電壓，避免訊號(hào)受到影響。例如使用在手機(jī)的天線，訊號(hào)最高電壓通常會(huì)超過10V且最低電壓會(huì)低于0V，必須選擇適用此訊號(hào)電壓的雙向ESD保護(hù)組件；使用在GPS的天線，最高電壓通常小于5V且最低電壓不會(huì)低于0V，可使用5V單向的ESD保護(hù)組件。
第四、ESD防護(hù)組件本身對(duì)ESD的耐受能力必須要高，最少要能承受IEC 61000-4-2接觸模式8kV的ESD轟擊。
第五、也是最重要的，ESD保護(hù)組件在ESD事件發(fā)生期間所提供的箝制電壓(clamping voltage)必須要夠低，除了提供受保護(hù)電路免于遭受靜電放電的沖擊而造成永久的損傷，還要能確保訊號(hào)傳輸不會(huì)受到ESD的干擾。
針對(duì)這些可攜式電子產(chǎn)品，對(duì)于ESD保護(hù)組件的設(shè)計(jì)需要同時(shí)符合上述所有要求，困難度變的很高。
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應(yīng)對(duì)NFC天線ESD器件
針對(duì)NFC應(yīng)用中的天線保護(hù)有一款ESD保護(hù)組件AZ4217-01，這是目前業(yè)界唯一提供適用于最大工作電壓17V，具有0402封裝尺寸、極低電容、雙向特性的ESD保護(hù)組件。
圖3：器件外觀
圖4：器件電性表
圖5：電容特性
圖6：ESD箝制電壓特性
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RF天線的ESD防護(hù)
除了NFC天線外，在行動(dòng)電話上還有其它許多RF天線的設(shè)計(jì)同時(shí)存在，因此同樣需要對(duì)這些天線設(shè)計(jì)有ESD防護(hù)功能。因此晶焱科技另有推出一系列ESD防護(hù)組件來(lái)保護(hù)這些RF天線，如具有極低電容0.5pF/0.8pF 的ESD保護(hù)組件AZ5325-01F/AZ5425-01F，能滿足IEC 61000-4-2接觸模式至少8kV的ESD轟擊。另有0201封裝尺寸且其ESD耐受度更可高達(dá)15kV的AZ5A15-01F，以及具有最低的箝制電壓僅有11V的AZ5215-01F，能提供系統(tǒng)產(chǎn)品于ESD測(cè)試時(shí)最佳的防護(hù)效果。圖7是這系列ESD保護(hù)組件的菜單，圖8、9是利用傳輸線脈沖系統(tǒng)(TLP)測(cè)量ESD箝制電壓的結(jié)果，觀察TLP電流為17A(等效IEC 61000-4-2接觸模式6kV測(cè)試)時(shí)的箝制電壓，與其它相同應(yīng)用的產(chǎn)品作比較，均具有最低的箝制電壓。
圖7：晶焱科技推出小尺寸低電容ESD保護(hù)組件
圖8：5-V雙向ESD保護(hù)組件的TLP測(cè)試曲線
圖9：5-V單向ESD保護(hù)組件的TLP測(cè)試曲線
