解決幾個(gè)主要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(guò)程中的一些“老大難”問(wèn)題依然困擾著(zhù)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(shí)際上是相互關(guān)聯(lián)的，電路匹配和PCB布局布線(xiàn)是解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵一步，與理論基礎和經(jīng)驗積累分不開(kāi)。當然，“老大難”還常常意味著(zhù)更多研發(fā)成本和投入，因此我們需要一些新思路和新方法，必要時(shí)可以借助外部資源和力量，這樣才能在有限研發(fā)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(wèn)題普遍存在于電子系統中，而在高頻、無(wú)線(xiàn)系統中往往更加突出。對于如今熱門(mén)的GPS應用，如何解決EMI問(wèn)題意義顯得更加重大，因為GPS衛星距離地面上萬(wàn)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(guān)念可能會(huì )使GPS成品有很多問(wèn)題。
現在的GPS手機很能說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，盡管很多公司把產(chǎn)品設計出來(lái)面市了，但這些產(chǎn)品的系統性能很多達不到標準，甚至發(fā)出錯誤信息，對于車(chē)輛導航等應用來(lái)說(shuō)是很危險的，對于LBS應用來(lái)說(shuō)也會(huì )招致用戶(hù)的不滿(mǎn)。

在系統設計上，除了磁珠、EMI濾波器等常用手段，天線(xiàn)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(xiàn)，還沒(méi)有考慮chip全向天線(xiàn)，因為到目前為止我們發(fā)現還是patch天線(xiàn)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(hù)對此還能接受。”

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

現在模塊廠(chǎng)商普遍都宣稱(chēng)會(huì )協(xié)助用戶(hù)進(jìn)行天線(xiàn)選型、電路板布局布線(xiàn)以及其他關(guān)于系統結構方面的技術(shù)咨詢(xún)。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(wù)，從GPS天線(xiàn)設計評估、原理圖把關(guān)、PCB布局布線(xiàn)設計建議，到PCBA的EMI檢測(測試項目多而全)及EMI問(wèn)題的解決、GPS成品系統設計建議及EMI問(wèn)題的解決(所有服務(wù)免費，用戶(hù)可將板子寄往芬蘭有技術(shù)專(zhuān)家進(jìn)行檢測和提出改進(jìn)意見(jiàn)，細到電容、電阻的選擇都給出建議)。

借助供應商在線(xiàn)開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行電源設計

另一項極需經(jīng)驗積累的設計就是電源管理電路，這也是多年來(lái)“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(jìn)封裝，易用性也是廠(chǎng)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(xiàn)或離線(xiàn)(可下載)設計工具，以實(shí)現器件的易用性并通過(guò)分享廠(chǎng)商自己多年積累的設計經(jīng)驗來(lái)幫助工程師簡(jiǎn)化設計過(guò)程，加快上市時(shí)間。

美國國家半導體亞太區電源管理產(chǎn)品市場(chǎng)總監黃漢基介紹說(shuō)，該公司的WEBENCH在線(xiàn)工具可為工程師推薦合適的器件，并進(jìn)行設計優(yōu)化，具體到電源設計上就是：根據用戶(hù)設定的輸入電壓、輸出電壓和輸出電流以及工作時(shí)環(huán)境溫度等信息，利用在線(xiàn)電氣仿真和熱仿真，設計并優(yōu)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(chǎn)品集成了同步整流開(kāi)關(guān)FET和PWM單元)為例，除增強了相關(guān)優(yōu)化器(采用“撥號式”參數調諧界面)，WEBENCH在線(xiàn)工具還提供了簡(jiǎn)單的環(huán)路補償建模功能。(如圖1)



圖1：國半的在線(xiàn)設計工具WEBENCH(這里顯示了帶“撥號式”SIMPLE SWITHCER開(kāi)關(guān)穩壓器參數優(yōu)化調諧界面)。

對于沒(méi)有機會(huì )被供應商“很好地服務(wù)”的中小公司電源工程師來(lái)說(shuō)，可能需要好好利用這類(lèi)免費平臺去進(jìn)行器件的選型；而對于非電源專(zhuān)業(yè)的工程師也可利用這類(lèi)平臺先找找感覺(jué)，按照自己的應用要求設計出一個(gè)電源電路原型，并進(jìn)行分析和仿真。

ESD問(wèn)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(lái)越多的系統設計需要外部的ESD保護器件?，F有的方案中，壓敏電阻雖然價(jià)格低廉，但經(jīng)歷多重應力后性能容易衰退、具有高寄生電容，通態(tài)導電率低；而聚合物雖然寄生電容低，但觸發(fā)電壓高，且性能同樣容易衰退。

因此，隨著(zhù)當今設計向小型化、更高密度、更多復雜功能度，市場(chǎng)對鉗位性能更優(yōu)異、低泄露使用壽命更長(cháng)的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)(已有超低電容版本)的需求越來(lái)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(chǎng)份額方面，壓敏電阻與TVS差不多開(kāi)始各占一半。”安森美半導體公司亞太區標準產(chǎn)品部市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁麥滿(mǎn)權說(shuō)。

正如安森美標準產(chǎn)品組分立產(chǎn)品部資深技術(shù)專(zhuān)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(yè)界尚無(wú)更進(jìn)一步的測試標準，各個(gè)廠(chǎng)商有不同的定義和要求。“一般廠(chǎng)商都聲稱(chēng)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(lèi)ESD器件的直觀(guān)方法—相同應力電壓觸發(fā)后的屏幕截圖和傳輸線(xiàn)路脈沖(TLP)分析法(圖2是相關(guān)電氣原理圖)，可用它來(lái)對比不同廠(chǎng)商的產(chǎn)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(shí)間，后者通過(guò)TLP電流-電壓(I-V)曲線(xiàn)對ESD器件放電過(guò)程一目了然。



圖2：非常適用于測量和鑒定ESD保護性能的TLP電氣原理圖。

另外，包含幾個(gè)TVS二極管的ESD陣列雖然比同數量單個(gè)TVS元件在PCB占位面積上更小，更經(jīng)濟，但安森美的麥滿(mǎn)權提醒到，這里有一個(gè)電路布局問(wèn)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(xiàn)拉長(cháng)和變得更復雜，得不償失，這時(shí)候分別采用幾個(gè)獨立的TVS器件反而更省事，對系統性能產(chǎn)生的影響也更小。
最后談?wù)劮庋b。ESD器件的封裝腳間距如今已可做到很小，不過(guò)目前大陸很多SMT生產(chǎn)線(xiàn)并不能達到一些封裝要求的工藝水平，時(shí)常有元件脫落現象，因此工程師選器件還要考慮生產(chǎn)環(huán)節的匹配問(wèn)題，最小不一定最合適。

實(shí)現真正具有成本效益的設計

不過(guò)，很多業(yè)內人士表示，中國工程師經(jīng)常迫于老板們要求的上市時(shí)間和成本壓力，不得以可能會(huì )對“沒(méi)有最好只有更好”的設計難題如EMI問(wèn)題簡(jiǎn)單處理一下就完事，使得產(chǎn)品的質(zhì)量難以保證，而且產(chǎn)品的功能也會(huì )受到影響。如果你也在為這種折衷而痛苦，那么請試著(zhù)用下面的事實(shí)去說(shuō)服你的老板實(shí)現一種真正的成本效益。

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