智能手機的ESD如何應對？

防護不全的電子系統在遭受靜電襲擊后常發(fā)生死機、當機或系統部分功能不正常，有些會是短暫失效然后恢復正常，這些都是靜電可能造成的現象，而具有完整防護的電子系統則可完全不受靜電襲擊的影響。環(huán)境中會出現的靜電事件從3KV到35KV都有，因此電子系統的靜電測試規(guī)格就需依它本身產品的設計狀況及使用的環(huán)境來決定，對于智能手機，測試規(guī)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系統，但環(huán)境中經常會出現超過12KV的靜電事件，因此唯有測試規(guī)格拉到12KV以上才能確認手機的設計在使用環(huán)境中可以安然地被使用，不會受靜電干擾。靜電防護可以有很多方法，其中最簡便也最經濟的就是在必要的地方加入防護的零件，如TVS芯片。TVS芯片反應速度快，箝制電壓低到接近電子系統地正常工作電壓，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，只有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(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。
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。

圖1：加入ESD Protector的地方都是易受靜電襲擊的地方

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另外一種會造成電子產品受傷的是EMI，智能型手機由于系統復雜度高，所有硬件又都集中在極小空間中，電磁干擾經常造成系統訊號不良/訊號譯碼錯誤，嚴重的還會造成系統當機。由于電子系統內部訊號傳輸的頻率速度越來越高，電磁干擾的問題也越來越嚴重。解決的方案就是在系統的各種訊號傳輸線上面針對訊號干擾的頻段加入濾波器。傳統上可以使用一階或二階RC/LC濾波器將所需要的訊號濾出來就可以了。近年來由于電子系統小型化趨勢，這些常用的濾波器都已經制作成集成電路，提供有效的小型化解決方案。

同樣的以智能型手機為例，手機上由于天線接收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)，而核心芯片又轉換出影像與聲音訊號傳到各影音子系統上。這些訊號都集中在很短的距離內完成，不同的訊號線間通常距離在零點幾公分的距離內，很容易使得這些頻率(或其諧波)互相干擾。這些干擾現象可以用濾波器將會干擾的訊號去除，以得到清晰的訊號。例如送到銀幕的訊號常會干擾天線收到的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2：智能型手機中比較容易發(fā)生電磁干擾的訊號

仔細比較上圖一和圖二，你會發(fā)現幾乎所有會發(fā)生EMI問題的地方都有機會發(fā)生ESD問題。這時靜電保護裝置與濾波器整合在單芯片中就能帶來大好處，因為這樣的芯片不但提供訊號濾波功能也提供靜電保護功能，提供更完整的保護效果。這樣不僅節(jié)省了電路板上的面積也降低了生產的成本。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濾波器也是必須的。只有受到完整保護的智能型手機才能真正提供消費者可靠的手機功能，否則手機上數據隨時可能因為靜電的襲擊而瞬間化為烏有，也有機會因為(EMI)訊號干擾而失效。智能型手機如果在設計時能將靜電與電磁干擾防護效應加入考慮，手機的可靠度也可以達到世界級的水平。其實手機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IC。因為靜電保護組件的價格很低，置入靜電保護組件的成本增加很少，卻可以大幅增加產品的可靠度，減少了大部分的退換貨需求。因此減少終端客戶因為ESD/EMI現象造成的退換貨以撙節(jié)成本已經是各廠商的競爭重點。

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NFC天線ESD解決之道

將NFC與行動電話整合在一起，提供消費者以近距離感測方式進行有價交易，是現在廣為討論與實現的功能。但在大家熱中于討論與實現NFC的各種整合與實現方式時，有一項不可被忽視的影響是靜電放電(ESD)的沖擊經由NFC天線對整個NFC的溝通功能所造成的錯誤動作。行動電話這些電子產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，這些電子產品所采用的IC大多是使用最先進的半導體制程技術，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，這些電子產品需要額外的ESD保護組件來避免ESD沖擊產生系統當機，甚至硬件受到損壞， 而NFC天線是必須有ESD保護組件保護的第一關。

針對行動電話這些可攜式電子產品所使用的ESD保護組件需符合下列幾項要求：

第一、為符合這類電子產品輕薄小巧、易于攜帶的需求，ESD保護組件的尺寸必須夠小，例如0402封裝尺寸，甚至0201封裝尺寸，以達到在PCB設計上兼具高聚集度及高度彈性的優(yōu)勢。
 
第二、ESD保護組件接腳本身的寄生電容必須要小，避免訊號受到干擾。例如使用在天線(antenna)的ESD保護組件，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保護組件其寄生電容值必須小于1pF，甚至更低。

第三、ESD保護組件所適用的最大工作電壓及單向或雙向特性的選擇，必須考慮訊號上下擺動的最高及最低電壓，避免訊號受到影響。例如使用在手機的天線，訊號最高電壓通常會超過10V且最低電壓會低于0V，必須選擇適用此訊號電壓的雙向ESD保護組件；使用在GPS的天線，最高電壓通常小于5V且最低電壓不會低于0V，可使用5V單向的ESD保護組件。

第四、ESD防護組件本身對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，還要能確保訊號傳輸不會受到ESD的干擾。

針對這些可攜式電子產品，對于ESD保護組件的設計需要同時符合上述所有要求，困難度變的很高。 
 
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應對NFC天線ESD器件

針對NFC應用中的天線保護有一款ESD保護組件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

除了NFC天線外，在行動電話上還有其它許多RF天線的設計同時存在，因此同樣需要對這些天線設計有ESD防護功能。因此晶焱科技另有推出一系列ESD防護組件來保護這些RF天線，如具有極低電容0.5pF/0.8pF 的ESD保護組件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，能提供系統產品于ESD測試時最佳的防護效果。圖7是這系列ESD保護組件的菜單，圖8、9是利用傳輸線脈沖系統(TLP)測量ESD箝制電壓的結果，觀察TLP電流為17A(等效IEC 61000-4-2接觸模式6kV測試)時的箝制電壓，與其它相同應用的產品作比較，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保護組件

圖8：5-V雙向ESD保護組件的TLP測試曲線

圖9：5-V單向ESD保護組件的TLP測試曲線