射頻模塊天線(xiàn)端的ESD該如何設計？

圖 1

關(guān)于ESD抗擾度等級的實(shí)現方法，主要有外殼設計、硬件設計及PCB布局、元器件選型、軟件修復等。其中在硬件設計方面，一個(gè)重要的方法是在輸入或輸出的關(guān)鍵電路節點(diǎn)處加入ESD保護器件。ESD保護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至系統地或者大地（外殼地），抑制TVS管兩極間受到的反向瞬態(tài)高電壓，對于靜電，適合選用雙向TVS，而不是單向TVS。

圖 2

對于IOT行業(yè)，無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品是其重要的組成部分，而無(wú)線(xiàn)模塊又是無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的重要一環(huán)，本文主要對無(wú)線(xiàn)模塊天線(xiàn)端及射頻接口的ESD設計進(jìn)行說(shuō)明，無(wú)線(xiàn)模塊產(chǎn)品在設計上可以加上ESD保護器件，而應用無(wú)線(xiàn)模塊的底板在設計時(shí)則需要在天線(xiàn)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(xiàn)路。

在使用無(wú)線(xiàn)模塊的時(shí)候，從無(wú)線(xiàn)模塊產(chǎn)品手冊上有時(shí)會(huì )看到天線(xiàn)端需避免靜電直接打到天線(xiàn)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(xiàn)模塊的射頻輸出端是對靜電敏感的，超過(guò)一定的靜電等級可能會(huì )使得無(wú)線(xiàn)模塊受到永久性的損壞。此處推薦一種無(wú)線(xiàn)模塊射頻輸出端的ESD設計電路結構，如圖3所示。

圖 3 無(wú)線(xiàn)模塊射頻輸出端ESD設計

使用TVS管雖然可以提高無(wú)線(xiàn)模塊天線(xiàn)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(xiàn)模塊的接收靈敏度降低。這對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。

對于外接天線(xiàn)版本的無(wú)線(xiàn)模塊，一般需要在應用無(wú)線(xiàn)模塊的底板上放置天線(xiàn)接口（比如SMA接口），以便安裝所需的天線(xiàn)。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)射頻轉接線(xiàn)進(jìn)入到無(wú)線(xiàn)模塊產(chǎn)品本身，保證即使有靜電導入天線(xiàn)接口，靜電也可以快速的通過(guò)我們所設計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(xiàn)路（比如數據線(xiàn)、時(shí)鐘線(xiàn)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設計案例來(lái)說(shuō)明這一思路。

如圖5所示，J12是4G無(wú)線(xiàn)模塊的SMA天線(xiàn)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。為了避免靜電導入4G無(wú)線(xiàn)模塊，使得模塊損壞，就需要在PCB上設計靜電泄放阻容網(wǎng)絡(luò )，設計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、更快的從設計的路徑上泄放。

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(xiàn)上，保證路徑最短，且路徑上沒(méi)有任何走線(xiàn)，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)的樣機也通過(guò)了ESD抗擾度實(shí)驗。

圖 5 外接天線(xiàn)接口ESD設計實(shí)例