應用于便攜及消費產品的安森美半導體完整ESD及EMI保護方案
2011/10/24 14:18:59
電源在線網
對于電子產品而言，保護電路是為了防止電路中的關鍵敏感型器件受到過流、過壓、過熱等沖擊的損害。保護電路的優劣對電子產品的質量和壽命至關重要。隨著消費類電子產品需求的持續增長，更要求有強固的靜電放電(ESD)保護，同時還要減少不必要的電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)噪聲。此外，消費者希望最新款的消費電子產品可以用小尺寸設備滿足越來越高的下載和帶寬能力。隨著設備的越來越小和融入性能的不斷增加，ESD以及許多情況下的EMI/RFI抑制已無法涵蓋在驅動所需接口的新一代IC當中。
另外，先進的系統級芯片(SoC)設計都是采用幾何尺寸很小的工藝制造的。為了優化功能和芯片尺寸，IC設計人員一直在不斷減少其設計的功能的最小尺寸。IC尺寸的縮小導致器件更容易受到ESD電壓的損害。
過去，設計人員只要選擇符合IEC61000-4-2規范的一個保護產品就足夠了。因此，大多數保護產品的數據表只包括符合評級要求。由于集成電路變得越來越敏感，較新的設計都有保護元件來滿足標準評級，但ESD沖擊仍會形成過高的電壓，有可能損壞IC。因此，設計人員必須選擇一個或幾個保護產品，不僅要符合ESD脈沖要求，而且也可以將ESD沖擊鉗位到足夠低的電壓，以確保IC得到保護。
圖1：美國靜電放電協會(ESDA)的ESD保護要求
先進技術實現強大ESD保護
安森美半導體的ESD鉗位性能備受業界推崇，鉗位性能可從幾種方法觀察和量化。使用幾個標準工具即可測量獨立ESD保護器件或集成器件的ESD鉗位能力，包括ESD保護功能。第一個工具是ESD IEC61000-4-2 ESD脈沖響應截圖，顯示的是隨時間推移的鉗位電壓響應，可以看出ESD事件中下游器件的情形。
圖2：ESD鉗鉗位截圖
除了ESD鉗位屏幕截圖，另一種方法是測量傳輸線路脈沖(TLP)來評估ESD鉗位性能。由于ESD事件是一個很短的瞬態脈沖，TLP可以測量電流與電壓(I-V)數據，其中每個數據點都是從短方脈沖獲得的。TLP I-V曲線和參數可以用來比較不同TVS器件的屬性，也可用于預測電路的ESD鉗位性能。
圖3：典型TLP I-V曲線圖
安森美半導體提供的高速接口ESD保護保護器件陣容有兩種類型。第一類最容易實現，被稱為傳統設計保護。在這種類型設計中，信號線在器件下運行。這些器件通常是電容最低的產品。
另一類是采用PicoGuard® XS技術的產品。這種類型設計使用阻抗匹配(Impedance Matched)電路，可保證100 Ω的阻抗，相當于電容為零。這類設計無需并聯電感，有助于最大限度地減少封裝引起的ESD電壓尖峰。
圖4：傳統方法與PicoGuard® XS設計方法的對比
安森美半導體的保護和濾波解決方案均基于傳統硅芯片工藝技術。相比之下，其它類型的低成本無源解決方案使用的是陶瓷、鐵氧體和多層壓敏電阻(MLV)組合的材料。這類器件通常ESD鉗位性能較差。在某些情況下，傳遞給下游器件的能量可能比安森美半導體解決方案低一個量級。一些采用舊有技術的產品甚至可能在小量ESD沖擊后出現劣化并變得更糟。由于其材料性質，一些無源器件往往表現出溫度的不一致性，從而降低了終端系統在標準消費溫度和環境溫度范圍內運行的可靠性。
必須兼顧其它特性
ESD和EMI解決方案可防止不要的信號干擾系統的整體性能。在系統正常運行期間，保護器件還必須保持給定接口良好的信號完整性，換言之它應該是完全“透明”的。安森美半導體的器件適用于運行和保護當今最常用的消費類電子系統接口。通常，使用S參數插入損耗曲線即可測量信號完整性的影響，濾波器解決方案還可以測量濾波器的響應情況，也可以用眼圖測量信號完整性(尤其是高速器件)，以證明在無干擾正常運行期間器件可實現的最大數據傳輸速率。
安森美半導體有兩個基本類型的EMI濾波器。第一類是用于并行接口的各種陣列配置的單端低通濾波器；分為傳統和通用電阻-電容(RC)版本，以及適用于高速度和功耗敏感接口的電感-電容(LC)版本。
圖5：單端低通濾波器特性
根據規格，每個元件都有一個通帶范圍。這些器件的可截止高頻范圍從700 MHz至6 GHz。
第二類EMI濾波器適用于高速串行接口，功能超過了典型低通濾波器。這類接口是具有固有噪聲抑制的差分信號路徑，但不會完全免疫來自外部源的共模噪聲，或阻止來自輻射到系統其他部分的接口信號。
圖6：共模濾波器(CMF)特性
受保護的共模濾波器(pCMF)可以用來消除不必要的共模噪聲，也可以防止輻射的有害共模噪聲信號從高速接口進入系統的其它部分。同時，它還可以使高速數據通道幾乎不受干擾。
除了ESD沖擊保護，安森美半導體還提供防止由雷擊或功率交叉(power-cross)故障造成浪涌沖擊的解決方案。各種消費電子和電信/網絡設備中的通用接口都是符合10/100BASE-T和1000BASE-T以太網協議的RJ45接口，其浪涌額定值往往是室內標準。這些接口由四對差分數據線組成，每根線可傳輸最高250 Mbps的數據速率。這類接口的保護需要確保橫向(金屬性)浪涌沖擊不致損壞敏感的下游芯片（如物理層）。這是通過線至線(每對線)連接分流保護元件(shunt protection element)來轉移進入的浪涌能量實現的。
對于較低數據速率(10/100BASE-T)的應用，安森美半導體提供了一種稱為TSPD(晶閘管浪涌保護器件)的消弧(crowbar)器件組合，以及用于類似ESD保護的鉗位器件。TSPD可提供低鉗位電壓的優勢，并具有較高的浪涌電流能力。例如，這些器件可以滿足GR-1089 10/1000 μs標準的要求，因此適合初級端或次級端的保護，也被稱為“線端”保護。TVS(瞬態抑制二極管)鉗位器件支持8/20 μs脈沖的浪涌級別，通常用于第三級(tertiary)或PHY側以捕獲并安全地消除任何殘余浪涌脈沖。
典型電路保護應用示例
智能手機應用是一種比較典型的保護應用，安森美半導體的解決方案包括數據濾波器、ESD保護二極管及陣列和電壓保護器件等。消費和便攜式應用的USB2.0保護包括高速對、VCC和低電容ESD保護；而USB 3.0則有兩個超高速對和一個高速對，以及VCC、低電容ESD保護。eSATA接口有兩個高速對和低電容ESD保護。
圖7：智能手機框圖及需要保護的I/O接口(見右下側淺藍色背景區域)
針對4至12線的攝像頭和顯示器的并行接口，安森美半導體有低通LC濾波器+ ESD保護器件，以及3至5個高速串行通道的共模濾波器+ ESD保護。對于便攜式HDMI、消費類HDMI/顯示端口，可以采用四個高速對、多達6個額外接口線、低電容ESD+共模濾波器方案。
此外，安森美半導體的保護應用還包括音頻(音箱/耳機)、SD接口、SIM卡、鍵盤EMI抑制、以太網，以及T1/E1、T3/E3和xDSL端口等，可以滿足消費類電子產品對強大ESD保護及減少EMI/RFI噪聲的更高要求。
應用于便攜及消費應用接口的強大ESD保護及EMI濾波產品陣容
安森美半導體身為全球高能效電子產品的首要硅方案供應商，在電路保護市場高居第一，為便攜及無線、消費、計算機及外設、汽車及電信等市場提供豐富多樣的ESD保護及EMI/RFI濾波產品。表1和表2分別列出了安森美半導體應用于便攜應用接口及消費應用接口的ESD保護及EMI濾波方案，客戶可以根據實際應用需求選擇適合的方案。
表1：安森美半導體便攜應用接口ESD保護及EMI濾波方案
表2：安森美半導體消費應用接口ESD保護及EMI濾波方案
總結：
安森美半導體在電路保護居于全球領袖地位，其中領先的ESD保護產品包括：業界最低電容、極低鉗位電壓的傳統ESD保護方案；在市場上率先推出的相當于提供零電容的PicoGuard XS保護方案；以及同樣是在市場上率先推出的集成ESD保護的共模濾波器方案。這些高集成度保護方案幫助客戶保護其產品中速度越來越高的敏感芯片組，并減少電路板占用空間。<
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