外接天線接口ESD設(shè)計(jì)實(shí)例

硬件工程師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，ESD抗擾度是一個(gè)重要的考慮指標(biāo)。靜電對(duì)于大部分電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)都存在危害，射頻模塊對(duì)靜電更加敏感。那么針對(duì)射頻模塊類產(chǎn)品，ESD抗擾度應(yīng)當(dāng)如何考慮和設(shè)計(jì)呢？

關(guān)于ESD抗擾度等級(jí)，不同產(chǎn)品不同行業(yè)對(duì)應(yīng)著不同的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電工委員會(huì)所頒布的IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)適合于各種電氣與電子設(shè)備做電磁兼容性的測(cè)試。在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)前需要先規(guī)定好產(chǎn)品的ESD抗擾度的等級(jí)，要么根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義要么根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際需要來(lái)定義。這樣才可以有依據(jù)的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)及測(cè)試。

圖1

關(guān)于ESD抗擾度等級(jí)的實(shí)現(xiàn)方法，主要有外殼設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)及PCB布局、元器件選型、軟件修復(fù)等。其中在硬件設(shè)計(jì)方面，一個(gè)重要的方法是在輸入或輸出的關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)處加入ESD保護(hù)器件。ESD保護(hù)器件一般使用瞬變電壓抑制器，也就是硬件工程師常說(shuō)的TVS（Transient Voltage Suppressor）二極管，TVS管的關(guān)鍵特性是它在正常工作電壓下具有高阻抗，而在電壓超出正常工作電壓的時(shí)候變成了低阻抗，此時(shí)將電流直接從敏感部件引導(dǎo)至系統(tǒng)地或者大地（外殼地），抑制TVS管兩極間受到的反向瞬態(tài)高電壓，對(duì)于靜電，適合選用雙向TVS，而不是單向TVS。

圖2

對(duì)于IOT行業(yè)，無(wú)線產(chǎn)品是其重要的組成部分，而無(wú)線模塊又是無(wú)線產(chǎn)品的重要一環(huán)，本文主要對(duì)無(wú)線模塊天線端及射頻接口的ESD設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明，無(wú)線模塊產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上可以加上ESD保護(hù)器件，而應(yīng)用無(wú)線模塊的底板在設(shè)計(jì)時(shí)則需要在天線接口處考慮可靠有效的靜電泄放路徑，保證靜電泄放路徑不經(jīng)過(guò)敏感器件及敏感線路。

在使用無(wú)線模塊的時(shí)候，從無(wú)線模塊產(chǎn)品手冊(cè)上有時(shí)會(huì)看到天線端需避免靜電直接打到天線的射頻接口，甚至用手去拿模塊最好都要帶上防靜電手套。這就說(shuō)明無(wú)線模塊的射頻輸出端是對(duì)靜電敏感的，超過(guò)一定的靜電等級(jí)可能會(huì)使得無(wú)線模塊受到永久性的損壞。此處推薦一種無(wú)線模塊射頻輸出端的ESD設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 無(wú)線模塊射頻輸出端ESD設(shè)計(jì)

使用TVS管雖然可以提高無(wú)線模塊天線端的ESD性能，但是有一個(gè)隱患是可能會(huì)產(chǎn)生諧波噪聲而使得無(wú)線模塊的接收靈敏度降低。這對(duì)TVS管的選型提出了要求，優(yōu)選TVS管可以避免這一隱患，所以在器件選型的要關(guān)注諧波噪聲這一關(guān)鍵指標(biāo)。

對(duì)于外接天線版本的無(wú)線模塊，一般需要在應(yīng)用無(wú)線模塊的底板上放置天線接口（比如SMA接口），以便安裝所需的天線。這時(shí)候需要充分考慮靜電在底板的泄放路徑，保證靜電不要通過(guò)射頻轉(zhuǎn)接線進(jìn)入到無(wú)線模塊產(chǎn)品本身，保證即使有靜電導(dǎo)入天線接口，靜電也可以快速的通過(guò)我們所設(shè)計(jì)的泄放路徑泄放到大地，這樣可以有效提高產(chǎn)品的可靠性。一般情況下，推薦使用如圖4所示的阻容網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳導(dǎo)靜電，注意在PCB布局時(shí)保證靜電泄放路徑最短且不經(jīng)過(guò)靜電敏感器件、射頻電路以及敏感線路（比如數(shù)據(jù)線、時(shí)鐘線等），此處的電容需是耐高壓的器件。

圖4 靜電泄放阻容網(wǎng)絡(luò)

下面通過(guò)一個(gè)ESD設(shè)計(jì)案例來(lái)說(shuō)明這一思路。

如圖5所示，J12是4G無(wú)線模塊的SMA天線接口，且裸露在空氣中，所以靜電就有可能從SMA引入到PCB的地。為了避免靜電導(dǎo)入4G無(wú)線模塊，使得模塊損壞，就需要在PCB上設(shè)計(jì)靜電泄放阻容網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)原則是該靜電泄放路徑最短且不經(jīng)過(guò)靜電敏感網(wǎng)絡(luò)，必要時(shí)可以挖槽增加隔離，或者在靜電泄放路徑上打過(guò)孔來(lái)減小電阻使得靜電可以更多、更快的從設(shè)計(jì)的路徑上泄放。

下圖中PCB的螺絲孔通過(guò)螺絲固定在外殼上，外殼是泄放靜電的主要載體，所以此處的做法就是在SMA與螺絲孔（即外殼）之間增加靜電泄放阻容網(wǎng)絡(luò)R36并聯(lián)C82，SMA、靜電泄放網(wǎng)絡(luò)與螺絲孔在一條直線上，保證路徑最短，且路徑上沒(méi)有任何走線，在靜電泄放路徑上特意增加一些過(guò)孔來(lái)減小阻抗。最終做出來(lái)的樣機(jī)也通過(guò)了ESD抗擾度實(shí)驗(yàn)。

圖5 外接天線接口ESD設(shè)計(jì)實(shí)例