解决电源系统、ESD等设计难题的思路探讨

        尽管中国设计能力不断提升，但具体设计过程中的一些“老大难”问题依然困扰着广大工程师。对于EMI/EMC、低噪声设计、RF电路、信号处理、电源管理等实际上是相互关联的，电路匹配和PCB布局布线是解决这些问题的关键一步，与理论基础和经验积累分不开。当然，“老大难”还常常意味着更多研发成本和投入，因此我们需要一些新思路和新方法，必要时可以借助外部资源和力量，这样才能在有限研发预算内将设计做得尽量完美。

        “终极”降噪案例：克服GPS应用的EMI

        EMI问题普遍存在于电子系统中，而在高频、无线系统中往往更加突出。对于如今热门的GPS应用，如何解决EMI问题意义显得更加重大，因为GPS卫星距离地面上万公里，信号到地面非常弱，不及手机信号的千分之一，传统的设计观念可能会使GPS成品有很多问题。

        现在的GPS手机很能说明这个问题，尽管很多公司把产品设计出来面市了，但这些产品的系统性能很多达不到标准，甚至发出错误信息，对于车辆导航等应用来说是很危险的，对于LBS应用来说也会招致用户的不满。

        在系统设计上，除了磁珠、EMI滤波器等常用手段，天线选择是控制EMI的有效手段之一，有便携式导航设备(PND)设计公司曾表示：“我们基本上只用patch天线，还没有考虑chip全向天线，因为到目前为止我们发现还是patch天线的GPS信号接收效果最好，当然这样其他方面就有折衷，如方向性和尺寸，但性能往往更重要，用户对此还能接受。”

        不过，很多电子工程师面临产品快速面市和花时间掌握技术的两难境地。对此现成的GPS模块可能是个更好的选择，在抗噪声方面使设计的可移植性更好。据业内人士表示，主流GPS芯片和模块产品在性能上(灵敏度、功耗和尺寸等)实际差别不大，品牌和服务是用户选择时考虑的重点。

        现在模块厂商普遍都宣称会协助用户进行天线选型、电路板布局布线以及其他关于系统结构方面的技术咨询。例如与诺基亚在手机射频电路上有多年合作的芬兰Fastrax就能提供系统化工程服务，从GPS天线设计评估、原理图把关、PCB布局布线设计建议，到PCBA的EMI检测(测试项目多而全)及EMI问题的解决、GPS成品系统设计建议及EMI问题的解决(所有服务免费，用户可将板子寄往芬兰有技术专家进行检测和提出改进意见，细到电容、电阻的选择都给出建议)。

        借助供应商在线开发环境进行电源设计

        另一项极需经验积累的设计就是电源管理电路，这也是多年来“名列前茅”的几大挑战之一。

        电源管理IC除了向更高性能(如更高电压或更高效率或更低噪声、更高PSRR等)、更高功率密度、具备能源管理和更小尺寸/更先进封装，易用性也是厂商们争相提升的重要特性。

        如今，诸如美国国家半导体、安森美半导体、凹凸微电子等电源器件供应商都推出了各具特色的在线或离线(可下载)设计工具，以实现器件的易用性并通过分享厂商自己多年积累的设计经验来帮助工程师简化设计过程，加快上市时间。

        美国国家半导体亚太区电源管理产品市场总监黄汉基介绍说，该公司的WEBENCH在线工具可为工程师推荐合适的器件，并进行设计优化，具体到电源设计上就是：根据用户设定的输入电压、输出电压和输出电流以及工作时环境温度等信息，利用在线电气仿真和热仿真，设计并优化电源，并可快速获得定制的原型套件。

        以该公司带仿电流模式(ECM)控制的第四代SIMPLE SWITCHER稳压器系列(该系列的产品集成了同步整流开关FET和PWM单元)为例，除增强了相关优化器(采用“拨号式”参数调谐界面)，WEBENCH在线工具还提供了简单的环路补偿建模功能。(如图1)

图1：国半的在线设计工具WEBENCH(这里显示了带“拨号式”SIMPLE SWITHCER开关稳压器参数优化调谐界面)。

        对于没有机会被供应商“很好地服务”的中小公司电源工程师来说，可能需要好好利用这类免费平台去进行器件的选型；而对于非电源专业的工程师也可利用这类平台先找找感觉，按照自己的应用要求设计出一个电源电路原型，并进行分析和仿真。

        ESD问题：先解决器件的评估与选择

        尽管很多IC器件本身具备一定的ESD保护功能，但如今越来越多的系统设计需要外部的ESD保护器件。现有的方案中，压敏电阻虽然价格低廉，但经历多重应力后性能容易衰退、具有高寄生电容，通态导电率低；而聚合物虽然寄生电容低，但触发电压高，且性能同样容易衰退。

        因此，随着当今设计向小型化、更高密度、更多复杂功能度，市场对钳位性能更优异、低泄露使用寿命更长的瞬态电压抑制器(TVS)(已有超低电容版本)的需求越来越大，特别是手机等带多种高速互连接口的小体积、高密度便携式消费电子系统设计。“在市场份额方面，压敏电阻与TVS差不多开始各占一半。”安森美半导体公司亚太区标准产品部市场营销副总裁麦满权说。

        正如安森美标准产品组分立产品部资深技术专家Robert Ashton博士指出的，IEC61000-4-2等ESD抑制标准是针对系统级设计的，而在器件级，业界尚无更进一步的测试标准，各个厂商有不同的定义和要求。“一般厂商都声称ESD器件能承受最高±30KV的应力，但其他指标的表现可能就大相径庭了。”

        Robert推荐了一种测量鉴定同类ESD器件的直观方法—相同应力电压触发后的屏幕截图和传输线路脉冲(TLP)分析法(图2是相关电气原理图)，可用它来对比不同厂商的产品。前者可对比ESD器件对大电流导电率(钳位电压)、到达低工作电压后的时间，后者通过TLP电流-电压(I-V)曲线对ESD器件放电过程一目了然。

        另外，包含几个TVS二极管的ESD阵列虽然比同数量单个TVS元件在PCB占位面积上更小，更经济，但安森美的麦满权提醒到，这里有一个电路布局问题，若ESD的导入接口分布在系统相距较远的两侧，那么采用ESD阵列可能导致走线拉长和变得更复杂，得不偿失，这时候分别采用几个独立的TVS器件反而更省事，对系统性能产生的影响也更小。

        最后谈谈封装。ESD器件的封装脚间距如今已可做到很小，不过目前大陆很多SMT生产线并不能达到一些封装要求的工艺水平，时常有元件脱落现象，因此工程师选器件还要考虑生产环节的匹配问题，最小不一定最合适。

        实现真正具有成本效益的设计

        不过，很多业内人士表示，中国工程师经常迫于老板们要求的上市时间和成本压力，不得以可能会对“没有最好只有更好”的设计难题如EMI问题简单处理一下就完事，使得产品的质量难以保证，而且产品的功能也会受到影响。如果你也在为这种折衷而痛苦，那么请试着用下面的事实去说服你的老板实现一种真正的成本效益。

        声称对中国前五名“贴牌手机”（即俗称的“黑手机”）制造商有所了解的麦满权指出，这些公司设计团队很强大，对设计质量的高要求出乎人们的意料，舍得必要的投入。无须承诺“三包”的黑手机厂商都从做长远生意和身份转“正”的角度考虑来要求设计的高可靠性，更何况时刻担心客户投诉或返修而影响品牌形象或丢失利润的“正经”公司呢？除非他不想让公司发展壮大。