智能手机PCB设计ESD防护技术

下面分别介绍TVS在智能手机各个模组中实现ESD防护设计时的应用。便携设备对电路保护方案的需求正在迅速增长，本文以智能手机ESD防护为例，解析TVS元件在智能手机各个模组中的应用。在便携产品往更小尺寸、更加智能、更低功耗和更多功能的方向发展的同时， 产品的可靠性和安全问题也承受越来越多的考验，尤其是更多的人机交互界面增加了ESD（静电释放）风险，本文以智能手机ESD防护为例，分析TVS（瞬态电压抑制器）在智能手机各个模组的应用案例。据介绍，ESD进入手机有两种途径，第一种途径是以电磁波干扰的形式，特别是在手机外壳接地设定不是非常好的情况下，外部ESD会在手机外壳上储存电荷，当电荷积累到一定程度时就会产生电位，进而产生电磁波干扰。手机内部采用CMOS制程的IC很容易受这个干扰而发生闩锁效应，严重时甚至会造成电源与地之间短路。第二种途径是静电电流通过手机外壳直接流入PCB板，导致IC内部的晶体管损坏。所以，在设计电路的时候必须采用TVS元件来实现对ESD的防护，而TVS元件要达到隔绝ESD的效果，必须成功实现两个功能。一是将电流引入到地，避开受保护的IC；二是TVS元件两端电压必须箝制在系统可接受的值以下，箝制电压越低保护功能越好。其认为，ESD风险存在于智能手机的各种接口中，基本上有接口的地方都可能需要用到TVS。另外，智能手机的EMI（电磁干扰）问题也需要克服，在摄像头模组和LCD模组这些地方应选择同时具有EMI和ESD保护效果的产品，下面分别介绍TVS在智能手机各个模组中实现ESD防护设计时的应用。一、触控面板模组。触控面板是用手指去碰触的人机交互界面，极易受ESD的干扰。PCB设计时TVS可以加在软板导线出现连接器的位置，以有效防护经由连接器产生的ESD现象。另外，在终端使用时会有来自触控面板边缘屏蔽层的ESD风险，因此在屏蔽层与接地线之间也应该加TVS，一方面用以避免信号干扰，另一方面可有效箝制电路系统电压。电源线和地之间采用单颗TVS管形式，其它端口则采用TVS阵列来实现。二、实体按键部分。现在的智能手机大部分具有触控功能，也有一部分是实体按键，使用者需要直接接触这些实体按键进行操作，而实体按键的间隙经常会出现 ESD现象。设计时TVS元件应尽量放到靠近按键接点附近，利用其比前端按键控制IC元件较低的箝制电压及耐高突波电流的特性，有效作为第一线的防护。三、显示模组LCD接口。对于LCD并行接口的软板，大多无法设计太多层的铺铜，因此信号比较难对应到参考接地面，也经常会有信号跨越另一层地面切孔情况发生，从而造成信号完整性缺失或EMI问题；此外多脚位的软板由于面积较大，在手机狭小的空间中会与许多机构接触，因此无论在成品使用或半成品生产时，经常会受到外界雷电及人体或环境ESD的直接或耦合影响，进而危害到控制IC。此时可用具有ESD防护功能的EMI滤波器来有效防止这些问题的发生。四、电源系统部分。当智能手机取下电池后，所有连接到半导体元件中的电位并不容易完全释放掉，这些与电源管理IC连接的元件，一开始因储存了特定电位，因此开机或关机过程中，都有可能引发过大的高低突波，进而造成部分元件毁损。电源控制IC的周边都需加上TVS元件，且PCB设计时TVS应尽量放置在靠近电源控制IC的位置。特别需要注意的是对于不同的电源电压应采用其相对应箝制电压的TVS元件。五、NFC天线部分。在自然环境中的雷电或是人体及环境中的ESD，都有机会透过NFC天线放电进入到手机中，进而造成天线接收端的元件损坏。由于RF信号对电容值非常敏感，0.5μ以下电容值的TVS元件才适用于NFC天线部分ESD防护的使用。PCB设计时TVS元件应尽量放到靠近NFC天线的接点垫片附近，利用其比前端元件较低的箝制电压及耐高突波电流的特性，有效地实现第一线的防护。