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電子產品ESD/EMI的保護設計考量2012/04/26

晶焱科技 設計研發部 姜信欽副總

生活中常有一些經驗:有些電子產品剛買回去時還好好的,用了一陣子突然莫名奇妙地壞掉了。這些問題多半是靜電將你的電子產品裏的功能晶片給擊穿、燒毀了,導致功能晶片失效。因此,如何保護電子產品免於受靜電摧毀一直是設計者的一個重要課題。而這個問題最近幾年變得更為嚴重,因為過去的十幾年內,電子產品由0.5微米製程一路微縮做到現今的45奈米製程,把晶片的元件尺寸縮小了一百多倍。而電晶體的閘極厚度也不斷的縮減使得半導體元件對靜電防護能力不斷的下降,產品很容易被突如其來的靜電破壞而失效。每次我們有意無意的接觸到電子產品就很容易將我們身上攜帶的靜電放電給這些電子產品造成傷害。很不幸的,靜電是由摩擦所產生出來的自然現象,沒有簡單的方法可以讓它不產生,因此我們只能針對電子系統做必要的防護設計。
 
防護不全的電子系統在遭受靜電襲擊後常發生死機、當機或系統部分功能不正常,有些會是短暫失效然後恢復正常,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格就需依它本身產品的設計狀況及使用的環境來決定,以智慧型手機為例,測試規格就應該從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,但環境中經常會出現超過12KV的靜電事件,因此唯有測試規格拉到12KV以上才能確認手機的設計在使用環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晶片。TVS晶片反應速度快,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。尤其現在手機或電腦的核心晶片工作電壓都在1V-1.8V,只有TVS晶片能夠提供必要的保護。
 
以智慧型手機為例,靜電襲擊經常發生在以下的地方:
          觸控銀幕:每次手去接觸到觸控銀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。
 
因為智慧型手機的空間十分狹小,幾乎每一個模組塊都會受到靜電襲擊,如圖一所示。圖中有加入ESD Protector的地方都是易受靜電襲擊的地方。

圖一
 
另外一種會造成電子產品受傷的是EMI,智慧型手機由於系統複雜度高,所有硬體又都集中在極小空間中,電磁干擾經常造成系統訊號不良/訊號解碼錯誤,嚴重的還會造成系統當機。由於電子系統內部訊號傳輸的時脈速度越來越高,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。近年來由於電子系統小型化趨勢,這些常用的濾波器都已經製作成積體電路,提供有效的小型化解決方案。
 
同樣的以智慧型手機為例,手機上由於天線接收GSM、3G、WLAN及GPS訊號,這些訊號會通過天線模組傳入核心晶片(CPU),而核心晶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。
 
圖二所示是在智慧型手機中比較容易發生電磁干擾的訊號。
圖二
 
仔細比較上圖一和圖二,你會發現幾乎所有會發生EMI問題的地方都有機會發生ESD問題。這時靜電保護裝置與濾波器整合在單晶片中就能帶來大好處,因為這樣的晶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。這樣不僅節省了電路板上的面積也降低了生產的成本。這樣的晶片主要是選用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,靜電防護晶片卻是不可或缺的,EMI濾波器也是必須的。只有受到完整保護的智慧型手機才能真正提供消費者可靠的手機功能,否則手機上資料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。智慧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量,手機的可靠度也可以達到世界級的水準。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。因為靜電保護元件的價格很低,置入靜電保護元件的成本增加很少,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成本已經是各廠商的競爭重點。

 

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