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NFC(Near Field Communication)天線的ESD解決方案2014/03/24

 

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。但在大家熱中於討論與實現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)的衝擊經由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於頻繁地與人體接觸,很容易受到靜電放電(ESD)的衝擊。此外,這些電子產品所採用的IC大多是使用最先進的半導體製程技術,所使用的元件閘極氧化層很薄且接面很淺,很容易受到ESD的衝擊而造成損傷。因此,這些電子產品需要額外的ESD保護元件來避免ESD衝擊產生系統當機,甚至硬體受到損壞, 而NFC天線是必須有ESD保護元件保護的第一關。
針對行動電話這些可攜式電子產品所使用的ESD保護元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、易於攜帶的需求,ESD保護元件的尺寸必須夠小,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勢。
 
第二、ESD保護元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保護元件,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保護元件其寄生電容值必須小於1pF,甚至更低。

第三、ESD保護元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且最低電壓會低於0V,必須選擇適用此訊號電壓的雙向ESD保護元件;使用在GPS的天線,最高電壓通常小於5V且最低電壓不會低於0V,可使用5V單向的ESD保護元件。

第四、ESD防護元件本身對ESD事件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保護元件在ESD事件發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於遭受靜電放電的衝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,對於ESD保護元件的設計需要同時符合上述所有要求,困難度變的很高。
晶焱科技擁有先進的ESD防護設計技術,針對可攜式電子產品,利用自有的專利技術推出一系列0402 DFN/0201 DFN、低電容、雙向/單向、單通道的ESD保護元件,如表一所列。其中0402 DFN封裝大小僅有 1.0 mm x 0.6 mm,厚度只有 0.55 mm 高;0201 DFN封裝大小更是僅有 0.6 mm x 0.3 mm,厚度只有 0.3 mm 高,可以滿足可攜式電子產品輕薄小巧對於元件封裝的嚴苛要求。如此細小的封裝尺寸,更可以整合到系統模組,作為系統ESD的防護將更具彈性。
特別針對NFC(Near Field Communication)應用中的天線保護推出AZ4217-01F ESD保護元件,這是目前業界唯一提供適用於最大工作電壓17V,具有0402封裝尺寸、極低電容、雙向特性的ESD保護元件。圖一是AZ4217-01F的功能表。
 
(a) 外觀
(b)電性表
(c)電容特性
(d) ESD箝制電壓特性
圖一

   

除了NFC天線外,在行動電話上還有其他許多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防護元件來保護這些RF天線,如具有極低電容0.5pF/0.8pF 的ESD保護元件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,以及具有具有最低的箝制電壓僅有11V的AZ5215-01F,能提供系統產品於ESD測試時最佳的防護效果。圖二是這系列ESD保護元件的功能表,圖三、圖四是利用傳輸線脈衝系統(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,與其他相同應用的產品作比較,均具有最低的箝制電壓。 

 
 

圖三 5-V雙向ESD保護元件的TLP測試曲線

 

圖四 5-V單向ESD保護元件的TLP測試曲線
 

隨著消費者對可攜式電子產品的使用品質要求越來越高,ESD保護元件的箝制電壓也需要設計得越來越低,晶焱科技將持續發展更先進的防護設計技術來滿足這項需求。

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