解決電源系統、ESD等設計難題的思路探討

        盡管中國設計能力不斷提升，但具體設計過程中的一些“老大難”問題依然困擾著廣大工程師。對于EMI/EMC、低噪聲設計、RF電路、信號處理、電源管理等實際上是相互關聯的，電路匹配和PCB布局布線是解決這些問題的關鍵一步，與理論基礎和經驗積累分不開。當然，“老大難”還常常意味著更多研發成本和投入，因此我們需要一些新思路和新方法，必要時可以借助外部資源和力量，這樣才能在有限研發預算內將設計做得盡量完美。

        “終極”降噪案例：克服GPS應用的EMI

        EMI問題普遍存在于電子系統中，而在高頻、無線系統中往往更加突出。對于如今熱門的GPS應用，如何解決EMI問題意義顯得更加重大，因為GPS衛星距離地面上萬公里，信號到地面非常弱，不及手機信號的千分之一，傳統的設計觀念可能會使GPS成品有很多問題。

        現在的GPS手機很能說明這個問題，盡管很多公司把產品設計出來面市了，但這些產品的系統性能很多達不到標準，甚至發出錯誤信息，對于車輛導航等應用來說是很危險的，對于LBS應用來說也會招致用戶的不滿。

        在系統設計上，除了磁珠、EMI濾波器等常用手段，天線選擇是控制EMI的有效手段之一，有便攜式導航設備(PND)設計公司曾表示：“我們基本上只用patch天線，還沒有考慮chip全向天線，因為到目前為止我們發現還是patch天線的GPS信號接收效果最好，當然這樣其他方面就有折衷，如方向性和尺寸，但性能往往更重要，用戶對此還能接受。”

        不過，很多電子工程師面臨產品快速面市和花時間掌握技術的兩難境地。對此現成的GPS模塊可能是個更好的選擇，在抗噪聲方面使設計的可移植性更好。據業內人士表示，主流GPS芯片和模塊產品在性能上(靈敏度、功耗和尺寸等)實際差別不大，品牌和服務是用戶選擇時考慮的重點。

        現在模塊廠商普遍都宣稱會協助用戶進行天線選型、電路板布局布線以及其他關于系統結構方面的技術咨詢。例如與諾基亞在手機射頻電路上有多年合作的芬蘭Fastrax就能提供系統化工程服務，從GPS天線設計評估、原理圖把關、PCB布局布線設計建議，到PCBA的EMI檢測(測試項目多而全)及EMI問題的解決、GPS成品系統設計建議及EMI問題的解決(所有服務免費，用戶可將板子寄往芬蘭有技術專家進行檢測和提出改進意見，細到電容、電阻的選擇都給出建議)。

        借助供應商在線開發環境進行電源設計

        另一項極需經驗積累的設計就是電源管理電路，這也是多年來“名列前茅”的幾大挑戰之一。

        電源管理IC除了向更高性能(如更高電壓或更高效率或更低噪聲、更高PSRR等)、更高功率密度、具備能源管理和更小尺寸/更先進封裝，易用性也是廠商們爭相提升的重要特性。

        如今，諸如美國國家半導體、安森美半導體、凹凸微電子等電源器件供應商都推出了各具特色的在線或離線(可下載)設計工具，以實現器件的易用性并通過分享廠商自己多年積累的設計經驗來幫助工程師簡化設計過程，加快上市時間。

        美國國家半導體亞太區電源管理產品市場總監黃漢基介紹說，該公司的WEBENCH在線工具可為工程師推薦合適的器件，并進行設計優化，具體到電源設計上就是：根據用戶設定的輸入電壓、輸出電壓和輸出電流以及工作時環境溫度等信息，利用在線電氣仿真和熱仿真，設計并優化電源，并可快速獲得定制的原型套件。

        以該公司帶仿電流模式(ECM)控制的第四代SIMPLE SWITCHER穩壓器系列(該系列的產品集成了同步整流開關FET和PWM單元)為例，除增強了相關優化器(采用“撥號式”參數調諧界面)，WEBENCH在線工具還提供了簡單的環路補償建模功能。(如圖1)

圖1：國半的在線設計工具WEBENCH(這里顯示了帶“撥號式”SIMPLE SWITHCER開關穩壓器參數優化調諧界面)。

        對于沒有機會被供應商“很好地服務”的中小公司電源工程師來說，可能需要好好利用這類免費平臺去進行器件的選型；而對于非電源專業的工程師也可利用這類平臺先找找感覺，按照自己的應用要求設計出一個電源電路原型，并進行分析和仿真。

        ESD問題：先解決器件的評估與選擇

        盡管很多IC器件本身具備一定的ESD保護功能，但如今越來越多的系統設計需要外部的ESD保護器件。現有的方案中，壓敏電阻雖然價格低廉，但經歷多重應力后性能容易衰退、具有高寄生電容，通態導電率低；而聚合物雖然寄生電容低，但觸發電壓高，且性能同樣容易衰退。

        因此，隨著當今設計向小型化、更高密度、更多復雜功能度，市場對鉗位性能更優異、低泄露使用壽命更長的瞬態電壓抑制器(TVS)(已有超低電容版本)的需求越來越大，特別是手機等帶多種高速互連接口的小體積、高密度便攜式消費電子系統設計。“在市場份額方面，壓敏電阻與TVS差不多開始各占一半。”安森美半導體公司亞太區標準產品部市場營銷副總裁麥滿權說。

        正如安森美標準產品組分立產品部資深技術專家Robert Ashton博士指出的，IEC61000-4-2等ESD抑制標準是針對系統級設計的，而在器件級，業界尚無更進一步的測試標準，各個廠商有不同的定義和要求。“一般廠商都聲稱ESD器件能承受最高±30KV的應力，但其他指標的表現可能就大相徑庭了。”

        Robert推薦了一種測量鑒定同類ESD器件的直觀方法—相同應力電壓觸發后的屏幕截圖和傳輸線路脈沖(TLP)分析法(圖2是相關電氣原理圖)，可用它來對比不同廠商的產品。前者可對比ESD器件對大電流導電率(鉗位電壓)、到達低工作電壓后的時間，后者通過TLP電流-電壓(I-V)曲線對ESD器件放電過程一目了然。

        另外，包含幾個TVS二極管的ESD陣列雖然比同數量單個TVS元件在PCB占位面積上更小，更經濟，但安森美的麥滿權提醒到，這里有一個電路布局問題，若ESD的導入接口分布在系統相距較遠的兩側，那么采用ESD陣列可能導致走線拉長和變得更復雜，得不償失，這時候分別采用幾個獨立的TVS器件反而更省事，對系統性能產生的影響也更小。

        最后談談封裝。ESD器件的封裝腳間距如今已可做到很小，不過目前大陸很多SMT生產線并不能達到一些封裝要求的工藝水平，時常有元件脫落現象，因此工程師選器件還要考慮生產環節的匹配問題，最小不一定最合適。

        實現真正具有成本效益的設計

        不過，很多業內人士表示，中國工程師經常迫于老板們要求的上市時間和成本壓力，不得以可能會對“沒有最好只有更好”的設計難題如EMI問題簡單處理一下就完事，使得產品的質量難以保證，而且產品的功能也會受到影響。如果你也在為這種折衷而痛苦，那么請試著用下面的事實去說服你的老板實現一種真正的成本效益。

        聲稱對中國前五名“貼牌手機”（即俗稱的“黑手機”）制造商有所了解的麥滿權指出，這些公司設計團隊很強大，對設計質量的高要求出乎人們的意料，舍得必要的投入。無須承諾“三包”的黑手機廠商都從做長遠生意和身份轉“正”的角度考慮來要求設計的高可靠性，更何況時刻擔心客戶投訴或返修而影響品牌形象或丟失利潤的“正經”公司呢？除非他不想讓公司發展壯大。