硬件工程師在設計產(chǎn)品時，ESD抗擾度是一個重要的考慮指標。靜電對于大部分電子產(chǎn)品來說都存在危害，射頻模塊對靜電更加敏感。那么針對射頻模塊類產(chǎn)品，ESD抗擾度應當如何考慮和設計呢？

 

關于ESD抗擾度等級，不同產(chǎn)品不同行業(yè)對應著不同的標準，國際電工委員會所頒布的IEC61000－4－2標準適合于各種電氣與電子設備做電磁兼容性的測試。在進行產(chǎn)品設計前需要先規(guī)定好產(chǎn)品的ESD抗擾度的等級，要么根據(jù)標準來定義要么根據(jù)產(chǎn)品實際需要來定義。這樣才可以有依據(jù)的進行產(chǎn)品設計及測試。

 

 

圖1

 

關于ESD抗擾度等級的實現(xiàn)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，一個重要的方法是在輸入或輸出的關鍵電路節(jié)點處加入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的TVS（Transient Voltage Suppressor）二極管，TVS管的關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候變成了低阻抗，此時將電流直接從敏感部件引導至系統(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)，無線產(chǎn)品是其重要的組成部分，而無線模塊又是無線產(chǎn)品的重要一環(huán)，本文主要對無線模塊天線端及射頻接口的ESD設計進行說明，無線模塊產(chǎn)品在設計上可以加上ESD保護器件，而應用無線模塊的底板在設計時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)過敏感器件及敏感線路。

 

在使用無線模塊的時候，從無線模塊產(chǎn)品手冊上有時會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。這就說明無線模塊的射頻輸出端是對靜電敏感的，超過一定的靜電等級可能會使得無線模塊受到永久性的損壞。此處推薦一種無線模塊射頻輸出端的ESD設計電路結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

 

 

圖3 無線模塊射頻輸出端ESD設計

 

使用TVS管雖然可以提高無線模塊天線端的ESD性能，但是有一個隱患是可能會產(chǎn)生諧波噪聲而使得無線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注諧波噪聲這一關鍵指標。

 

對于外接天線版本的無線模塊，一般需要在應用無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，保證靜電不要通過射頻轉(zhuǎn)接線進入到無線模塊產(chǎn)品本身，保證即使有靜電導入天線接口，靜電也可以快速的通過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)絡來傳導靜電，注意在PCB布局時保證靜電泄放路徑最短且不經(jīng)過靜電敏感器件、射頻電路以及敏感線路（比如數(shù)據(jù)線、時鐘線等），此處的電容需是耐高壓的器件。

 

 

圖4 靜電泄放阻容網(wǎng)絡

 

下面通過一個ESD設計案例來說明這一思路。

 

如圖5所示，J12是4G無線模塊的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。為了避免靜電導入4G無線模塊，使得模塊損壞，就需要在PCB上設計靜電泄放阻容網(wǎng)絡，設計原則是該靜電泄放路徑最短且不經(jīng)過靜電敏感網(wǎng)絡，必要時可以挖槽增加隔離，或者在靜電泄放路徑上打過孔來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R36并聯(lián)C82，SMA、靜電泄放網(wǎng)絡與螺絲孔在一條直線上，保證路徑最短，且路徑上沒有任何走線，在靜電泄放路徑上特意增加一些過孔來減小阻抗。最終做出來的樣機也通過了ESD抗擾度實驗。

 

 

圖5 外接天線接口ESD設計實例