手機硬件工程師ESD防護電路設計總結

手機硬件工程師關于ESD防護電路設計的一點總結

本人是做手機硬件的，實際上是打雜的。日常的工作都是一些比較瑣碎雜亂的事情，比如焊接、測試、校準、維修、打靜電等等。工作差不多兩年了，雖然經驗豐富不多，但在不斷地重復工作中也有些自己的總結，希望與大家分享一下。因為我們做的是國內的客戶，客戶入網的比較多。所以對靜電的要求比較高。而不入網的客戶的機子的外殼也大多是鋅合金的，ESD問題也讓人頭痛。這里主要是想分享一下自己對靜電方面的一些經驗。

在必要的IO口加上TVS管如TP線、側鍵的IO線、開關鍵。不推薦用壓敏電阻。因為現(xiàn)在的壓敏電阻太水了，根本起不了保護作用。去年冬天我們主板上的加了壓敏電阻，結果很多主板的TV芯片都被靜電打壞了。又有一次我打靜電打TP的時候打壞了好幾個53，這些TP的IO口都是有貼壓敏電阻的。貼壓敏電阻起不了保護作用，還有個問題就是這些差的壓敏電阻還比較容易被靜電擊壞，造成TP不靈或失效、自動開機的現(xiàn)象。用壓敏電阻還不如不用。

靜電能擋就擋，比如某些比較敏感的線路如Vbat、IO線、FPC焊盤、側鍵、露銅的焊盤、按鍵燈2等都應該用絕緣膠貼起來。雖然有些操作在產線很難實現(xiàn)，但為了應付CTA真的有時候需要“包粽子”。

有時候碰到比較難打靜電的機子往往按鍵是比較難打ESD的。特別是金屬按鍵或者是水鍍的方向導航鍵。有很多入網的客戶往往都是殼子是塑膠的但按鍵是金屬的和方向導航鍵是水鍍的。如果是入網的我都建議客戶采用塑膠殼和塑膠按鍵，而且導航鍵也要采用真空鍍的。

當然有時候有些裝飾件有些疑似導電的材料也要確認一下是否導電。這些材料很可能是導致ESD問題的罪魁禍首。而且這種材料一般情況下用萬用表量不出來，得用靜電*來打一下才可確認。記得以前有一次，一個入網的機子攝像頭處靜電不過，就是因為攝像頭上的鏡片是這種特殊的材料。后來換了攝像頭的鏡片就好了。

機子的外殼和后蓋是塑膠的最好，可國內的客戶很多時候都是笨重的鋅合金的，這使得ESD的難度增加了不少，這時就要考慮充分接地了。否則縫隙和后蓋很難打過。接地不是越多越好。接地點越多越好其實是個誤區(qū)。很多時候確實是接地點越多越好。但有時候并不是那么的湊效。我自己也曾經陷入過這個誤區(qū)。以前經常是遇到靜電不好的機子，想都不想，直接把能接地的地方都接好地。很多情況靜電都可以過了，但是有時候接了很多的地靜電仍然是沒法過。后來不斷地試驗，才發(fā)現(xiàn)主板有些地是比較弱的。如果把這些地給接上了，打靜電就會比較容易死。相反把它去掉可能會好很多。所以說并不是接地越多越好。對于比較弱的地，最好不要接。只要把好的地充分接好就可以了。對于如何辨別好與不好的地，可以看一下PCB，更直接的方法是用接觸式放電打主板，能打過的露銅就是比較好的地，而打不過的露銅就是

不太好的地，這樣的地就不要接了，接上了反而會影響ESD性能。好了就這么多了，還有沒想到、沒遇到的的希望大家多多補充。

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硬件工程師必須掌握的技能總結

1充分了解各方的設計需求，確定合適的解決方案

啟動一個硬件開發(fā)項目，原始的推動力會來自于很多方面，比如市場的需要，基于整個系統(tǒng)架構的需要，應用軟件部門的功能實現(xiàn)需要，提高系統(tǒng)某方面能力的需要等等，所以作為一個硬件系統(tǒng)的設計者，要主動的去了解各個方面的需求，并且綜合起來，提出最合適的硬件解決方案。比如A項目的原始推動力來自于公司內部的一個高層軟件小組，他們在實際當中發(fā)現(xiàn)原有的處理器板IP轉發(fā)能力不能滿足要求，從而對于系統(tǒng)的配置和使用都會造成很大的不便，所以他們提出了對新硬件的需求。根據(jù)這個目標，硬件方案中就針對性的選用了兩個高性能網絡處理器，然后還需要深入的和軟件設計者交流，以確定內存大小，內部結構，對外接口和調試接口的數(shù)量及類型等等細節(jié)，比如軟件人員喜歡將控制信令通路和數(shù)據(jù)通路完全分開來，這樣在確定內部數(shù)據(jù)走向的時候要慎重考慮。項目開始之初是需要召開很多的討論會議的，應該盡量邀請所有相關部門來參與，好處有三個，第一可以充分了解大家的需要，以免在系統(tǒng)設計上遺漏重要的功能，第二是可以讓各個部門了解這個項目的情況，提早做好時間和人員上協(xié)作的準備，第三是從感情方面講，在設計之初各個部門就參與了進來，這個項目就變成了大家共同的一個心血結晶，會得到大家的呵護和良好合作，對完成工作是很有幫助的。2原理圖設計中要注意的問題原理圖設計中要有“拿來主義”，現(xiàn)在的芯片廠家一般都可以提供參考設計的原理圖，所以要盡量的借助這些資源，在充分理解參考設計的基礎上，做一些自己的發(fā)揮。當主要的芯片選定以后，最關鍵的外圍設計包括了電源，時鐘和芯片間的互連。

電源是保證硬件系統(tǒng)正常工作的基礎，設計中要詳細的分析：系統(tǒng)能夠提供的電源輸入；單板需要產生的電源輸出；各個電源需要提供的電流大��；電源電路效率；各個電源能夠允許的波動范圍；整個電源系統(tǒng)需要的上電順序等等。比如A項目中的網絡處理器需要1.25V作為核心電壓，要求精度在＋5%-－3%之間，電流需要12A左右，根據(jù)這些要求，設計中采用5V的電源輸入，利用Linear的開關電源控制器和IR的MOSFET搭建了合適的電源供應電路，精度要求決定了輸出電容的ESR選擇，并且為防止電流過大造成的電壓跌落，加入了遠端反饋的功能。

時鐘電路的實現(xiàn)要考慮到目標電路的抖動等要求，A項目中用到了GE的PHY器件，剛開始的時候使用一個內部帶鎖相環(huán)的零延時時鐘分配芯片提供100MHz時鐘，結果GE鏈路上出現(xiàn)了丟包，后來換成簡單的時鐘Buffer器件就解決了丟包問題，分析起來就是內部的鎖相環(huán)引入了抖動。芯片之間的互連要保證數(shù)據(jù)的無誤傳輸，在這方面，高速的差分信號線具有速率高，好布線，信號完整性好等特點，A項目中的多芯片間互連均采用了高速差分信號線，在調試和測試中沒有出現(xiàn)問題。3PCB設計中要注意的問題PCB設計中要做到目的明確，對于重要的信號線要非常嚴格的要求布線的長度和處理地環(huán)路，而對于低速和不重要的信號線就可以放在稍低的布線優(yōu)先級上。重要的部分包括：電源的分割；內存的時鐘線，控制線和數(shù)據(jù)線的長度要求；高速差分線的布線等等。

A項目中使用內存芯片實現(xiàn)了1G大小的DDRmemory，針對這個部分的布線是非常關鍵的，要考慮到控制線和地址線的拓撲分布，數(shù)據(jù)線和時鐘線的長度差別控制等方面，在實現(xiàn)的過程中，根據(jù)芯片的數(shù)據(jù)手冊和實際的工作頻率可以得出具體的布線規(guī)則要求，比如同一組內的數(shù)據(jù)線長度相差不能超過多少個mil，每個通路之間的長度相差不能超過多少個mil等等。當這些要求確定后就可以明確要求PCB設計人員來實現(xiàn)了，如果設計中所有的重要布線要求都明確了，可以轉換成整體的布線約束，利用CAD中的自動布線工具軟件來實現(xiàn)PCB設計，這也是在高速PCB設計中的一個發(fā)展趨勢。4檢查和調試

當準備調試一塊板的時候，一定要先認真的做好目視檢查，檢查在焊接的過程中是否有可見的短路和管腳搭錫等故障，檢查是否有元器件型號放置錯誤，第一腳放置錯誤，漏裝配等問題，然后用萬用表測量各個電源到地的電阻，以檢查是否有短路，這個好習慣可以避免貿然上電后損壞單板。調試的過程中要有平和的心態(tài)，遇見問題是非常正常的，要做的就是多做比較和分析，逐步的排除可能的原因，要堅信“凡事都是有辦法解決的”和“問題出現(xiàn)一定有它的原因”，這樣最后一定能調試成功。5一些總結的話

現(xiàn)在從技術的角度來說，每個設計最終都可以做出來，但是一個項目的成功與否，不僅僅取決于技術上的實現(xiàn)，還與完成的時間，產品的質量，團隊的配合密切相關，所以良好的團隊協(xié)作，透明坦誠的項目溝通，精細周密的研發(fā)安排，充裕的物料和人員安排，這樣才能保證一個項目的成功。一個好的硬件工程師實際上就是一個項目經理，他/她需要從外界交流獲取對自己設計的需求，然后匯總，分析成具體的硬件實現(xiàn)。還要跟眾多的芯片和方案供應商聯(lián)系，從中挑選出合適的方案，當原理圖完成后，他/她要組織同事來進行配合評審和檢查，還要和CAD工程師一起工作來完成PCB的設計。與此同時，還要準備好BOM清單，開始采購和準備物料，聯(lián)系加工廠家完成板的貼裝。在調試的過程中他/她要組織好軟件工程師來一起攻關調試，配合測試工程師一起解決測試中發(fā)現(xiàn)的問題，等到產品推出到現(xiàn)場，如果出現(xiàn)問題，還需要做到及時的支持。所以做一個硬件設計人員要鍛煉出良好的溝通能力，面對壓力的調節(jié)能力，同一時間處理多個事務的協(xié)調和決斷能力和良好平和的心態(tài)等等。

還有細心和認真，因為硬件設計上的一個小疏忽往往就會造成非常大的經濟損失，比如以前碰到一塊板在PCB設計完備出制造文件的時候誤操作造成了電源層和地層連在了一起，PCB板制造完畢后又沒有檢查直接上生產線貼裝，到測試的時候才發(fā)現(xiàn)短路問題，但是元器件已經都焊接到板上了，結果造成了幾十萬的損失。所以細心和認真的檢查，負責任的測試，不懈的學習和積累，才能使得一個硬件設計人員持續(xù)不斷的進步，而后術業(yè)有所小成。

對于現(xiàn)在一個電子系統(tǒng)來說，電源部分的設計也越來越重要，我想通過和大家探討一些自己關于電源設計的心得，來個拋磚引玉，讓我們在電源設計方面能夠都有所深入和長進。Q1：如何來評估一個系統(tǒng)的電源需求

Answer：對于一個實際的電子系統(tǒng)，要認真的分析它的電源需求。不僅僅是關心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細考慮總的功耗，電源實現(xiàn)的效率，電源部分對負載變化的瞬態(tài)響應能力，關鍵器件對電源波動的容忍范圍以及相應的允許的電源紋波，還有散熱問題等等。功耗和效率是密切相關的，效率高了，在負載功耗相同的情況下總功耗就少，對于整個系統(tǒng)的功率預算就非常有利了，對比LDO和開關電源，開關電源的效率要高一些。同時，評估效率不僅僅是看在滿負載的時候電源電路的效率，還要關注輕負載的時候效率水平。

至于負載瞬態(tài)響應能力，對于一些高性能的CPU應用就會有嚴格的要求，因為當CPU突然開始運行繁重的任務時，需要的啟動電流是很大的，如果電源電路響應速度不夠，造成瞬間電壓下降過多過低，造成CPU運行出錯。一般來說，要求的電源實際值多為標稱值的＋－5%，所以可以據(jù)此計算出允許的電源紋波，當然要預留余量的。散熱問題對于那些大電流電源和LDO來說比較重要，通過計算也是可以評估是否合適的。Q2：如何選擇合適的電源實現(xiàn)電路

Answer：根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術指標，可以來選擇合適的電源實現(xiàn)電路了。一般對于弱電部分，包括了LDO（線性電源轉換器），開關電源電容降壓轉換器和開關電源電感電容轉換器。相比之下，LDO設計最易實現(xiàn)，輸出紋波小，但缺點是效率有可能不高，發(fā)熱量大，可提供的電流相較開關電源不大等等。而開關電源電路設計靈活，效率高，但紋波大，實現(xiàn)比較復雜，調試比較煩瑣等等。

Q3：如何為開關電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)

Answer：很多的未使用過開關電源設計的工程師會對它產生一定的畏懼心理，比如擔心開關電源的干擾問題，PCBlayout問題，元器件的參數(shù)和類型選擇問題等。其實只要了解了，使用一個開關電源設計還是非常方便的。一個開關電源一般包含有開關電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會將MOSFET集成到芯片中去，這樣使用就更簡單了，也簡化了PCB設計，但是設計的靈活性就減少了一些。

開關控制器基本上就是一個閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，所以一般都會有一個反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設計在于保證精確的采樣電路，還有來控制反饋深度，因為如果反饋環(huán)響應過慢的話，對瞬態(tài)響應能力是會有很多影響的。而輸出部分設計包含了輸出電容，輸出電感以及MOSFET等等，這些的選擇基本上就是要滿足一個性能和成本的平衡，比如高的開關頻率就可以使用小的電感值（意味著小的封裝和便宜的成本），但是高的開關頻率會增加干擾和對MOSFET的開關損耗，從而效率降低。使用低的開關頻率帶來的結果則是相反的。

對于輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數(shù)選擇也是非常關鍵的，小的ESR可以減小輸出紋波，但是電容成本會增加，好的電容會貴嘛。開關電源控制器驅動能力也要注意，過多的MOSFET是不能被良好驅動的。一般來說，開關電源控制器的供應商會提供具體的計算公式和使用方案供工程師借鑒的。

Q4：如何調試開關電源電路Answer：有一些經驗可以共享給大家

1:電源電路的輸出輸出通過低阻值大功率電阻接到板內，這樣在不焊電阻的情況下可以先做到電源電路的先調試，避開后面電路的影響。2:一般來說開關控制器是閉環(huán)系統(tǒng)，如果輸出惡化的情況超過了閉環(huán)可以控制的范圍，開關電源就會工作不正常，所以這種情況就需要認真檢查反饋和采樣電路。特別是如果采用了大ESR值的輸出電容，會產生很多的電源紋波，這也會影響開關電源的工作的。接地技術的討論Q1：為什么要接地?

Answer：接地技術的引入最初是為了防止電力或電子等設備遭雷擊而采取的保護性措施，目的是把雷電產生的雷擊電流通過避雷針引入到大地，從而起到保護建筑物的作用。同時，接地也是保護人身安全的一種有效手段，當某種原因引起的相線（如電線絕緣不良，線路老化等）和設備外殼碰觸時，設備的外殼就會有危險電壓產生，由此生成的故障電流就會流經PE線到大地，從而起到保護作用。隨著電子通信和其它數(shù)字領域的發(fā)展，在接地系統(tǒng)中只考慮防雷和安全已遠遠不能滿足要求了。比如在通信系統(tǒng)中，大量設備之間信號的互連要求各設備都要有一個基準‘地’作為信號的參考地。而且隨著電子設備的復雜化，信號頻率越來越高，因此，在接地設計中，信號之間的互擾等電磁兼容問題必須給予特別關注，否則，接地不當就會嚴重影響系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。最近，高速信號的信號回流技術中也引入了“地”的概念Q2：接地的定義

Answer:在現(xiàn)代接地概念中、對于線路工程師來說，該術語的含義通常是‘線路電壓的參考點’；對于系統(tǒng)設計師來說，它常常是機柜或機架；對電氣工程師來說，它是綠色安全地線或接到大地的意思。一個比較通用的定義是“接地是電流返回其源的低阻抗通道”。注意要求是”低阻抗”和“通路”。

Q3：常見的接地符號

Answer:PE,PGND,FG－保護地或機殼；BGND或DC-RETURN－直流－48V(+24V)電源（電池）回流；GND－工作地；DGND－數(shù)字地；AGND－模擬地；LGND－防雷保護地Q4：合適的接地方式

Answer:接地有多種方式，有單點接地，多點接地以及混合類型的接地。而單點接地又分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。一般來說，單點接地用于簡單電路，不同功能模塊之間接地區(qū)分，以及低頻（f10MHz）電路時就要采用多點接地了或者多層板（完整的地平面層）。

Q5：信號回流和跨分割的介紹

Answer：對于一個電子信號來說，它需要尋找一條最低阻抗的電流回流到地的途徑，所以如何處理這個信號回流就變得非常的關鍵。

第一，根據(jù)公式可以知道，輻射強度是和回路面積成正比的，就是說回流需要走的路徑越長，形成的環(huán)越大，它對外輻射的干擾也越大，所以，PCB布板的時候要盡可能減小電源回路和信號回路面積。

第二，對于一個高速信號來說，提供有好的信號回流可以保證它的信號質量，這是因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計算的，如果高速線附近有連續(xù)的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續(xù)，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會發(fā)生變化，不連續(xù)的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以，布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊并行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供回流的功能。第三，為什么說布線的時候盡量不要跨電源分割，這也是因為信號跨越了不同電源層后，它的回流途徑就會很長了，容易受到干擾。當然，不是嚴格要求不能跨越電源分割，對于低速的信號是可以的，因為產生的干擾相比信號可以不予關心。對于高速信號就要認真檢查，盡量不要跨越，可以通過調整電源部分的走線。（這是針對多層板多個電源供應情況說的）Q6：為什么要將模擬地和數(shù)字地分開，如何分開?

Answer：模擬信號和數(shù)字信號都要回流到地，因為數(shù)字信號變化速度快，

從而在數(shù)字地上引起的噪聲就會很大，而模擬信號是需要一個干凈的地參考工作的。如果模擬地和數(shù)字地混在一起，噪聲就會影響到模擬信號。一般來說，模擬地和數(shù)字地要分開處理，然后通過細的走線連在一起，或者單點接在一起�？偟乃枷胧潜M量阻隔數(shù)字地上的噪聲竄到模擬地上。當然這也不是非常嚴格的要求模擬地和數(shù)字地必須分開，如果模擬部分附近的數(shù)字地還是很干凈的話可以合在一起。Q7：單板上的信號如何接地?

Answer：對于一般器件來說，就近接地是最好的，采用了擁有完整地平面的多層板設計后，對于一般信號的接地就非常容易了，基本原則是保證走線的連續(xù)性，減少過孔數(shù)量；靠近地平面或者電源平面，等等。Q8：單板的接口器件如何接地?Answer：有些單板會有對外的輸入輸出接口，比如串口連接器，網口RJ45連接器等等，如果對它們的接地設計得不好也會影響到正常工作，例如網口互連有誤碼，丟包等，并且會成為對外的電磁干擾源，把板內的噪聲向外發(fā)送。一般來說會單獨分割出一塊獨立的接口地，與信號地的連接采用細的走線連接，可以串上0歐姆或者小阻值的電阻。細的走線可以用來阻隔信號地上噪音過到接口地上來。同樣的，對接口地和接口電源的濾波也要認真考慮。

Q9：帶屏蔽層的電纜線的屏蔽層如何接地?

Answer：屏蔽電纜的屏蔽層都要接到單板的接口地上而不是信號地上，這是因為信號地上有各種的噪聲，如果屏蔽層接到了信號地上，噪聲電壓會驅動共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設計不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大噪聲輸出源。當然前提是接口地也要非常的干凈。

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