ot;display: block;">盡管中國設(shè)計能力不斷提升,但具體設(shè)計過程中的一些“老大難”問題依然困擾著廣大工程師。對于EMI/EMC、低噪聲設(shè)計、RF電路、信號處理、電源管理等實際上是相互關(guān)聯(lián)的,電路匹配和PCB布局布線是解決這些問題的關(guān)鍵一步,與理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗積累分不開。當然,“老大難”還常常意味著更多研發(fā)成本和投入,因此我們需要一些新思路和新方法,必要時可以借助外部資源和力量,這樣才能在有限研發(fā)預(yù)算內(nèi)將設(shè)計做得盡量完美。
“終極”降噪案例:克服GPS應(yīng)用的EMI
EMI問題普遍存在于電子系統(tǒng)中,而在高頻、無線系統(tǒng)中往往更加突出。對于如今熱門的GPS應(yīng)用,如何解決EMI問題意義顯得更加重大,因為GPS衛(wèi)星距離地面上萬公里,信號到地面非常弱,不及手機信號的千分之一,傳統(tǒng)的設(shè)計觀念可能會使GPS成品有很多問題。
現(xiàn)在的GPS手機很能說明這個問題,盡管很多公司把產(chǎn)品設(shè)計出來面市了,但這些產(chǎn)品的系統(tǒng)性能很多達不到標準,甚至發(fā)出錯誤信息,對于車輛導(dǎo)航等應(yīng)用來說是很危險的,對于LBS應(yīng)用來說也會招致用戶的不滿。
在系統(tǒng)設(shè)計上,除了磁珠、EMI濾波器等常用手段,天線選擇是控制EMI的有效手段之一,有便攜式導(dǎo)航設(shè)備(PND)設(shè)計公司曾表示:“我們基本上只用patch天線,還沒有考慮chip全向天線,因為到目前為止我們發(fā)現(xiàn)還是patch天線的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,用戶對此還能接受。”
不過,很多電子工程師面臨產(chǎn)品快速面市和花時間掌握技術(shù)的兩難境地。對此現(xiàn)成的GPS模塊可能是個更好的選擇,在抗噪聲方面使設(shè)計的可移植性更好。據(jù)業(yè)內(nèi)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)實際差別不大,品牌和服務(wù)是用戶選擇時考慮的重點。
現(xiàn)在模塊廠商普遍都宣稱會協(xié)助用戶進行天線選型、電路板布局布線以及其他關(guān)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)咨詢。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(tǒng)化工程服務(wù),從GPS天線設(shè)計評估、原理圖把關(guān)、PCB布局布線設(shè)計建議,到PCBA的EMI檢測(測試項目多而全)及EMI問題的解決、GPS成品系統(tǒng)設(shè)計建議及EMI問題的解決(所有服務(wù)免費,用戶可將板子寄往芬蘭有技術(shù)專家進行檢測和提出改進意見,細到電容、電阻的選擇都給出建議)。
借助供應(yīng)商在線開發(fā)環(huán)境進行電源設(shè)計
另一項極需經(jīng)驗積累的設(shè)計就是電源管理電路,這也是多年來“名列前茅”的幾大挑戰(zhàn)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/更先進封裝,易用性也是廠商們爭相提升的重要特性。
如今,諸如美國國家半導(dǎo)體、安森美半導(dǎo)體、凹凸微電子等電源器件供應(yīng)商都推出了各具特色的在線或離線(可下載)設(shè)計工具,以實現(xiàn)器件的易用性并通過分享廠商自己多年積累的設(shè)計經(jīng)驗來幫助工程師簡化設(shè)計過程,加快上市時間。
美國國家半導(dǎo)體亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品市場總監(jiān)黃漢基介紹說,該公司的WEBENCH在線工具可為工程師推薦合適的器件,并進行設(shè)計優(yōu)化,具體到電源設(shè)計上就是:根據(jù)用戶設(shè)定的輸入電壓、輸出電壓和輸出電流以及工作時環(huán)境溫度等信息,利用在線電氣仿真和熱仿真,設(shè)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(wěn)壓器系列(該系列的產(chǎn)品集成了同步整流開關(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(shù)調(diào)諧界面),WEBENCH在線工具還提供了簡單的環(huán)路補償建模功能。(如圖1)
圖1:國半的在線設(shè)計工具WEBENCH(這里顯示了帶“撥號式”SIMPLE SWITHCER開關(guān)穩(wěn)壓器參數(shù)優(yōu)化調(diào)諧界面)。
對于沒有機會被供應(yīng)商“很好地服務(wù)”的中小公司電源工程師來說,可能需要好好利用這類免費平臺去進行器件的選型；而對于非電源專業(yè)的工程師也可利用這類平臺先找找感覺,按照自己的應(yīng)用要求設(shè)計出一個電源電路原型,并進行分析和仿真。
ESD問題: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,但如今越來越多的系統(tǒng)設(shè)計需要外部的ESD保護器件。現(xiàn)有的方案中,壓敏電阻雖然價格低廉,但經(jīng)歷多重應(yīng)力后性能容易衰退、具有高寄生電容,通態(tài)導(dǎo)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,隨著當今設(shè)計向小型化、更高密度、更多復(fù)雜功能度,市場對鉗位性能更優(yōu)異、低泄露使用壽命更長的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)(已有超低電容版本)的需求越來越大,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(tǒng)設(shè)計。“在市場份額方面,壓敏電阻與TVS差不多開始各占一半。”安森美半導(dǎo)體公司亞太區(qū)標準產(chǎn)品部市場營銷副總裁麥滿權(quán)說。
正如安森美標準產(chǎn)品組分立產(chǎn)品部資深技術(shù)專家Robert Ashton博士指出的,IEC61000-4-2等ESD抑制標準是針對系統(tǒng)級設(shè)計的,而在器件級,業(yè)界尚無更進一步的測試標準,各個廠商有不同的定義和要求。“一般廠商都聲稱ESD器件能承受最高±30KV的應(yīng)力,但其他指標的表現(xiàn)可能就大相徑庭了。”
Robert推薦了一種測量鑒定同類ESD器件的直觀方法—相同應(yīng)力電壓觸發(fā)后的屏幕截圖和傳輸線路脈沖(TLP)分析法(圖2是相關(guān)電氣原理圖),可用它來對比不同廠商的產(chǎn)品。前者可對比ESD器件對大電流導(dǎo)電率(鉗位電壓)、到達低工作電壓后的時間,后者通過TLP電流-電壓(I-V)曲線對ESD器件放電過程一目了然。
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TVS二極管的ESD陣列雖然比同數(shù)量單個TVS元件在PCB占位面積上更小,更經(jīng)濟,但安森美的麥滿權(quán)提醒到,這里有一個電路布局問題,若ESD的導(dǎo)入接口分布在系統(tǒng)相距較遠的兩側(cè),那么采用ESD陣列可能導(dǎo)致走線拉長和變得更復(fù)雜,得不償失,這時候分別采用幾個獨立的TVS器件反而更省事,對系統(tǒng)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,不過目前大陸很多SMT生產(chǎn)線并不能達到一些封裝要求的工藝水平,時常有元件脫落現(xiàn)象,因此工程師選器件還要考慮生產(chǎn)環(huán)節(jié)的匹配問題,最小不一定最合適。
實現(xiàn)真正具有成本效益的設(shè)計
不過,很多業(yè)內(nèi)人士表示,中國工程師經(jīng)常迫于老板們要求的上市時間和成本壓力,不得以可能會對“沒有最好只有更好”的設(shè)計難題如EMI問題簡單處理一下就完事,使得產(chǎn)品的質(zhì)量難以保證,而且產(chǎn)品的功能也會受到影響。如果你也在為這種折衷而痛苦,那么請試著用下面的事實去說服你的老板實現(xiàn)一種真正的成本效益。
聲稱對中國前五名“貼牌手機”(即俗稱的“黑手機”)制造商有所了解的麥滿權(quán)指出,這些公司設(shè)計團隊很強大,對設(shè)計質(zhì)量的高要求出乎人們的意料,舍得必要的投入。無須承諾“三包”的黑手機廠商都從做長遠生意和身份轉(zhuǎn)“正”的角度考慮來要求設(shè)計的高可靠性,更何況時刻擔心客戶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。
作者:趙艷
