解決幾個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、低噪聲設計、RF電路、信號處理、電源管理等實際上是相互關聯(lián)的，電路匹配和PCB布局布線是解決這些問題的關鍵一步，與理論基礎和經(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)預算內(nèi)將設計做得盡量完美。

“終極”降噪案例：克服GPS應用的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，對于車輛導航等應用來說是很危險的，對于LBS應用來說也會招致用戶的不滿。

在系統(tǒng)設計上，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，有便攜式導航設備(PND)設計公司曾表示：“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于系統(tǒng)結構方面的技術咨詢。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，從GPS天線設計評估、原理圖把關、PCB布局布線設計建議，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)設計建議及EMI問題的解決(所有服務免費，用戶可將板子寄往芬蘭有技術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)。

借助供應商在線開發(fā)環(huán)境進行電源設計

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“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或離線(可下載)設計工具，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計經(jīng)驗來幫助工程師簡化設計過程，加快上市時間。

美國國家半導體亞太區(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，并進行設計優(yōu)化，具體到電源設計上就是：根據(jù)用戶設定的輸入電壓、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FET和PWM單元)為例，除增強了相關優(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：國半的在線設計工具WEBENCH(這里顯示了帶“撥號式”SIMPLE SWITHCER開關穩(wěn)壓器參數(shù)優(yōu)化調(diào)諧界面)。

對于沒有機會被供應商“很好地服務”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，按照自己的應用要求設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)設計需要外部的ESD保護器件?，F(xiàn)有的方案中，壓敏電阻雖然價格低廉，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，隨著當今設計向小型化、更高密度、更多復雜功能度，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。”安森美半導體公司亞太區(qū)標準產(chǎn)品部市場營銷副總裁麥滿權說。

正如安森美標準產(chǎn)品組分立產(chǎn)品部資深技術專家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，但安森美的麥滿權提醒到，這里有一個電路布局問題，若ESD的導入接口分布在系統(tǒng)相距較遠的兩側，那么采用ESD陣列可能導致走線拉長和變得更復雜，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。
最后談談封裝。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。無須承諾“三包”的黑手機廠商都從做長遠生意和身份轉“正”的角度考慮來要求設計的高可靠性，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。