电子产品ESD/EMI的保护设计考虑

生活中常有一些电子产品刚买回去时还好好的，用了一阵子突然莫名奇妙地坏掉了。这些问题多半是静电将你的电子产品里的功能芯片给击穿、烧毁了，导致功能芯片失效。因此，如何保护电子产品免于受静电摧毁一直是设计者的一个重要课题。而这个问题最近几年变得更为严重，因为过去的十几年内，电子产品由0.5微米制程一路微缩做到现今的45奈米制程，把芯片的组件尺寸缩小了一百多倍。而晶体管的闸极厚度也不断的缩减使得半导体组件对静电防护能力不断的下降，产品很容易被突如其来的静电破坏而失效。每次我们有意无意的接触到电子产品就很容易将我们身上携带的静电放电给这些电子产品造成伤害。很不幸的，静电是由摩擦所产生出来的自然现象，没有简单的方法可以让它不产生，因此我们只能针对电子系统做必要的防护设计。

　防护不全的电子系统在遭受静电袭击后常发生死机、死机或系统部分功能不正常，有些会是短暂失效然后恢复正常，这些都是静电可能造成的现象，而具有完整防护的电子系统则可完全不受静电袭击的影响。环境中会出现的静电事件从3KV到35KV都有，因此电子系统的静电测试规格就需依它本身产品的设计状况及使用的环境来决定，以智能手机为例，测试要求就应该从12KV开始。因为手机的包覆材料本身通常能抵挡12KV以下静电能量进入手机的电子系统，但环境中经常会出现超过12KV的静电事件，因此唯有测试要求提升到12KV以上才能确认手机的设计在使用环境中可以安然地被使用，不会受静电干扰。静电防护可以有很多方法，其中最简便也最经济的就是在必要的地方加入防护的零件，如TVS芯片。TVS芯片反应速度快，箝制电压低到接近电子系统地正常工作电压，可以提供很好的保护。尤其现在手机或计算机的核心芯片工作电压都在1V-1.8V，只有TVS芯片能够提供必要的保护。

以智能手机为例，静电袭击经常发生在以下的地方：

触控屏幕：每次手去接触到触控屏都是一次静电袭击。或讲电话时脸颊很容易接触到触控屏幕也是一种静电袭击。

耳机接口：耳机插拔时就是一次静电袭击。

手机充电接口：每次手机充电线接入时都是一次静电袭击。

USB接口：USB插拔时都是一次静电袭击。尤其是USB ON THE GO使用时更有surge袭击的机会。

天线：手机天线本身就比较容易受到外来电荷的袭击。

SIM/TF卡：手机SIM/TF卡插拔时也是一次静电袭击的机会。

键盘：手机键盘也是容易遭受静电袭击的地方。

因为智能手机的空间十分狭小，几乎每一个模块块都会受到静电袭击，如图一所示。图中有加入ESD Protector的地方都是易受静电袭击的地方。

图一 有加ESD保护二极管的方框示意图

另外一种会造成电子产品受伤的是EMI，智能手机由于系统复杂度高，所有硬件又都集中在极小空间中，电磁干扰经常造成系统信号不良/信号译码错误，严重的还会造成系统死机。由于电子系统内部讯号传输的频率速度越来越高，电磁干扰的问题也越来越严重。解决的方案就是在系统的各种讯号传输线上面针对信号干扰的频段加入滤波器。传统上可以使用一阶或二阶RC/LC滤波器将所需要的信号滤出来就可以了。近年来由于电子系统小型化趋势，这些常用的滤波器都已经制作成集成电路，提供有效的小型化解决方案。

同样的以智能手机为例，手机上由于天线接收GSM、3G、WLAN及GPS讯号，这些讯号会通过天线模块传入核心芯片(CPU)，而核心芯片又转换出影像与声音讯号传到各影音子系统上。这些讯号都集中在很短的距离内完成，不同的讯号线间通常距离在零点几公分的距离内，很容易使得这些频率(或其谐波)互相干扰。这些干扰现象可以用滤波器将会干扰的信号去除，以得到清晰的信号。例如送到银幕的讯号常会干扰天线收到的GSM信号，造成天线的接收敏感度下降，典型的做法就是在视频信号端加上滤波器把1.8GHz频段的信号滤掉。

图二所示是在智能手机中比较容易发生电磁干扰的信号。

图二 没有加ESD保护二极管的方框示意图

仔细比较上图一和图二，你会发现几乎所有会发生EMI问题的地方都有机会发生ESD问题。这时静电保护装置与滤波器整合在单芯片中就能带来大好处，因为这样的芯片不但提供信号滤波功能也提供静电保护功能，提供更完整的保护效果。这样不仅节省了电路板上的面积也降低了生产的成本。这样的芯片主要是选用DFN或CSP等超小型封装以配合产品轻薄短小的趋势。

需要强调的是，纵然手机机外壳、电路板设计各有不同，静电防护芯片却是不可或缺的，EMI滤波器也是必须的。只有受到完整保护的智能手机才能真正提供消费者可靠的手机功能，否则手机上数据随时可能因为静电的袭击而瞬间化为乌有，也有机会因为(EMI)讯号干扰而失效。智能手机如果在设计时能将静电与电磁干扰防护效应加入考虑，手机的可靠度也可以达到世界级的水平。其实手机的可靠性往往也就决定在这几颗不起眼又很便宜的静电与电磁干扰保护IC。因为静电保护组件的价格很低，置入静电保护组件的成本增加很少，却可以大幅增加产品的可靠度，减少了大部分的退换货需求。因此减少终端客户因为ESD/EMI现象造成的退换货以撙节成本已经是各厂商的竞争重点。