针对手机的先进ESD与EMC的保护解决方案

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各位来宾大家上午好，我是村田的产品工程师姜欣。这次我们介绍的题目是“面向手机的先进EMC和ESD保护解决方案，随着手机的发展，越来越多的新技术和解决方案应运而生，在新技术出来的同时，也会伴随着EMC的问题，这块我们今天主要是针对一些新的端口，我们在设计过程中的问题和后续中的解决方案。这块我们也提出我们的解决方案，主要是针对FPC，很多设计工程师碰到的Speaker  line的噪音，第二部分是我们推出来的关于IC噪音的选择，三端子电容。关于产品来讲，我们首先从结构入手，因为结构会带来很多良好的性能，从结构入手简单做一个介绍，这个产品虽然有良好的性能，在设计过程中也需要注意一些问题，第二部分的第二点我们针对layout的这块做一个建议。村田主要关注的是手机USB上的方案，最后一部分是关于EMC测试方面的支持，这里简单介绍一下深圳的实验室，还有上海总部原厂的测试。
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首先我们进一第一部分，手机端口的解决方案，首先是MIPI，相信大家对MIPI不是很陌生，它是从2003年的时候就和诺基亚组成一个联盟，当初设计这个端口的目的是使这个端口更简化，目前来讲比较成熟的两个端口，一个是显示接后，另外一个就是摄象头的接口。村田从MIPI联盟成立之初就持续关注会碰到的噪音问题，我们简单地总结了一下，针对高速差分线号线共模扼流圈选型要点，通常是100欧姆的阻抗匹配，如果做得不好会造成信号反射和衰减。第二点是截止频率，这里简单地做一下介绍关于截止频率的定义，是指我们对这个差分信号的影响，达到3DB的时候对应的频率，这个截止频率要求越高越好，根据我们的经验简单做一个总结，至少我们要保证信号，这只是一个建议，根据我们的经验总结。第三点是关于共模差损这块，顾名思义，针对共模噪音这块我们要求共模阻抗越大越好，但是像MIPI在选择的时候，还要注意我们刚才讲的第二点，就是截止频率，因为共模的线圈在全球的厂家来讲都有一个特性，随着共模阻性的升高差模阻抗也升高，对差分信号是有影响的，就是刚才讲到的截止频率，对于MIPI来讲阻抗不是越大越好，而是要选择合适的。针对以上三点，我们村田研发出了03025这款很小的封装，是0.85×0.65，是标型化比较通用的尺寸。从它的共模衰减特性以及差模特性来看是完全可以满足MIPI需要的。当然也有很多手机厂商对空间有很高的要求，这块村田在小型化方面是做得比较优秀的，我们还有一个更好的，是0202封装的，这款在全球只有两家能够做到。
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它的尺寸是0.65×0.5×0.3的。接下来是MHL，MHL有它的优势性，它和USB口是兼容的，只不过数据传输的时候是共用一对的，它的传输速度是比较高的，可以支持1080P的数字视频，传输速率比较大就碰到比较难解决的噪音，针对这个特点，结合刚才讲到的，我们推出了我们的解决方案，是这四种方案，同样都是模型的，03025的封装，还有0504的封装，从这几款产品上可以看到，截止频率都是相对比较高的，最高是8G，对于共模差损这块，最高到3.5G之间，最终做到3.5G，完全可以满足MHL上的应用。这款产品已经量产了，不是在研发中的。
    
以上是针对两个新的端口上的应用，接下来是对LTE这块，它在2004年就已经开始讨论研究这个方案，在国外走得比较靠前，日本还有北美以及北欧的这些运营商都已经采用LTE的技术，中国是中国移动在个别城市开始试点。LTE使用的范围比较宽，这就需要在噪音上有比较宽的范围，首先从700兆上开始分析和解决。一般情况下，我们做EMC的工程师大家都知道，FPC一般来讲是噪音通过的路径，有的时候是天线。针对这块LCD的数据线还有电源线，我们需要采取不同的解决方案，这里针对700兆上的噪音，村田提供的是NFA系列，它的特点是截止频率大概是800到900兆附近，在700兆附近的差损可以达到，对于电源线这块，我们推的是0402粉状的瓷珠，需要在高频段上有一个大的阻抗，同时还要有一个很高的额定电流。我们这款就完全可以满足这个要求。它在100兆上是120欧姆的阻抗，1G上大概接近200欧姆，额定电流可以到1.5安培。大家在手机上的电源线上如果有这个问题的话，可以试一下这个。
针对这两个数据线整改之后效果的验证，左边这幅图是我们做的进场设置，针对FPC上的，前面这部分是我们没有做整改之前，大家从这个图上可以看到它的噪音能量比较高，加了一定的元器件整改措施之后，这个颜色就是很浅，这就证明噪音得到了一定的抑制，这是进场测试的效果。右边这个是我们在原厂做的测试，就是通过天线这块来测它的噪音，大家可以看到在700多兆上的噪音，通过整改之后和原来对比，无论是主天线还是副天线噪音都有很大的下降。再一个就是天线的集中灵敏度上，进行了整改之后，主天线和副天线分别有改善，效果是不错的。刚才说的是700兆上的。接下来讲GHZ上的，一般都是噪音能量比较高的，有的时候也比较难处理，一般情况下我们选择瓷珠，但是在选型的时候有很多地方要注意。针对GHZ在选瓷珠的时候，集中在噪音段有很高的阻抗值，这块村田提供的方案是0402，这个GHZ上的阻抗都是在1000欧姆以上。如果对尺寸不满意，我们还有0201的HD系列。
    
接下来是扬声器，相信在座的很多EMC设计工程师在设计扬声器和天线的时候尽量让天线和Speaker  line隔开，但是有时候因为其他的原因没法做到，这样就会有所干扰，就会产生TDMA噪声，很多工程师都会选择阻抗值较大的瓷珠加在Speaker  line上，瓷珠在大电流的情况下比较容易饱和，饱和之后净噪的效果会有突变，针对这个问题村田提供的解决方案是新设计出来的这个产品可以解决。在GHZ上的阻抗值也是比较大，针对这个我们有两个封装。以上是关于手机中的端口辐射以及噪声的问题解决方案。
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接下来是关于IC上的噪音解决方案，可以提供给大家做参考，是一个三端子电容的方案。电容在做滤波的时候ESL的值会有很大影响，我们以这个点做一个突破口，给大家做一个简单的对比。这是一种普通的电容，这是我们村田改进型的，两极的距离缩短了，宽度加大了，ESL得到了提升。最后一种就是我们今天要提到的三端电容，大家对比一下，噪音从上端到下端解决了ESL的值，通过这个图不难看出三端电容的路径比两端电容的路径短很多，在ESL上有很好的提升。由于结构上的改善带来的提升，就体现在这方面，我们可以明显的看到。在相同的容值的情况下，三端的电容要比两端电容的差损提高将近20DB。由于这样优越的性能我们可以进行一系列的整改和提高。这副图是关于三端子电容替换两端的案例。为什么会提出这样的议题呢？大家都知道现在手机越做越小，相对来说我们要节省板的空间，这是市场的需要。这里有一个成本的问题，两端子电容在贴装的时候成本几乎不相上下，如果在IC附近用两端电容越多的话，相应的成本就越大，我做替换的可能性有意义性就越大。根据这两点来讲的话，我们就推三端子电容，对客户有益，对我们也有益。关于容值上有一个差异，这里我需要做一个简单的解释和说明，容值越大只会使曲线向左偏移，其实针对右边的部分曲线，它其实是一样的，就两端子电容都是这样的曲线。它在这方面和三端子电容之间还是有差异的，不是说容值越大效果越好。
    
刚才提到的是替换，再一个就是我们在设计之初，我们就要考虑怎么样使用，大家都知道EMC的问题就是设计之初期如果能解决的话，后期的成本都很低。设计之初我们有一个建议，主要两个利用，一个是一值电压多用，大家看到的也是黑白的，这块是彩色的，中间粉红色的这块是电源层，如果我们用在电压波动的这块是不能把电源层这块切断的，是不能做这个处理的。当我们这个信号走这个端的时候，是一个并联的模式，并联之后会更小，就比较有利于抑制电压波动，这是它的一个目的，我们推荐用这种。如果您是用作噪音抑制这块，我们建议您使用右边这个，是将电源层中间这段隔开的，这么做的目的是为了使噪声都尽可能通过三端子电容走到D，使得噪声回路越短越好。
原创文章："http://www.cntronics.com/public/seminar/content/type/article/rid/227/sid/54"
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