CN1409536A - 具有静电放电保护的移动通信设备 - Google Patents

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CN1409536A CN 02144483 CN02144483A CN1409536A CN 1409536 A CN1409536 A CN 1409536A CN 02144483 CN02144483 CN 02144483 CN 02144483 A CN02144483 A CN 02144483A CN 1409536 A CN1409536 A CN 1409536A
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A·卡穆福
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Abstract

对移动通信设备进行保护以防止静电放电的装置包括一个发射机电路用于发射信号，一个接收机电路用于接收信号，一个天线，一个开关(102)用于将天线与接收机电路或发射机电路相连，一个如瞬变电压抑制器(106，107，108)那样的保护电路用于将瞬变电流从易受损坏的电路中引导出去，由此，当移动通信设备不处于发射模式的时候，开关(102)以所建议的方法总是默认的处在开关将天线与该接收机电路连接的位置，并且瞬变电压抑制器(106，107，108)保护将开关(102)与接收电路相连的线路。

Description

具有静电放电保护的移动通信设备
技术领域
本发明总的来说涉及在通信设备中电路的保护，以防止电过载，尤其涉及在电路装置中运用了发射-接收开关的通信设备。
背景技术
静电放电(ESD)是造成电过载的最常见的原因之一，电过载会产生对移动通信设备造成很大危害的瞬变电压。典型的，ESD瞬变的持续时间在小于100纳秒到数个微秒的范围之内。瞬变电压的大小在几十伏特到超过10kv的范围之内。
静电通常由两种不同物质之间的摩擦生成。典型的当通过鞋底在地板上走过或仅仅通过身体的运动，人体开始充电。在干燥的天气里，静电充电的积累通常比在湿度高的天气里容易，这不仅仅因为相对于湿的物质，干燥的物质是比较好的绝缘体，更因为潮湿的人体皮肤可以将充电持续的排出，进而使ESD的影响最小。
瞬变通常是通过导体进入电路的，或者，更可能的是，通过电磁耦合进行辐射传输进入的。因此，移动通信设备的天线和/或天线插口被认为是最有可能引入ESD的点。
当移动设备处于闲置模式时最有可能产生静电充电的传输。即，当用户将移动设备从例如桌子上拿起或从包等物质中取出时。在这些场合，用户的电势与电话的电势存在显著的不同，于是就以静电放电的形式引起电势均衡。通常当移动通信设备与汽车中的自动装置(handfree kit)相连的时候，移动通信设备处于危险的状态。于是，静电充电的积累就通过天线连接器(插口)直接放电。
虽然瞬变仅持续几分之一秒，但是由于涉及高压，所以被认为会对移动通信设备的电路造成很大的损害。通常，电路通过限制ESD的尖锋脉冲(spike)电压来进行保护，该电压代表了实际损害。可以通过使用例如瞬变电压抑制器(TVS)这样的保护电路来实现保护，该瞬变电压抑制器将瞬变电压箝位到对处于试验条件下的下行电路不会造成损害的值。
用瞬变电压抑制器来保护下行电路的标准电路设备通常需将抑制器尽可能靠近ESD的入口点安排。但是所有目前所知的TVS都具有非线性特性。信号通过具有非线性特性的TVS后，很可能会带来失真。对于大幅度的信号来说，非线性和线性间的差异是相当大的，并且会对这些信号带来不可容忍的失真。这意味着，当移动通信设备在发射模式下工作并且TVS被放置在天线上时，被传输的信号会产生很显著的失真，因此，会降低信号传输的质量。
发明内容
因此，本发明的一个目的就是提供一种含有保护装置的移动通信设备，该保护装置可防止静电放电并不会影响发射或接收信号的质量。
该目的可以通过如在各自主权利要求书中的权利要求的移动通信设备和方法来实现。
具体地，该目的可以通过用于无线通信系统的一个移动通信设备来实现，该设备包括一个发射机电路用于发射信号，一个接收机电路用于接收信号，一个天线，一个开关用于将天线与接收机电路或发射机电路相连和一个保护电路，用于保护移动通信装置的电路，以防止由于静电放电所造成的危害。如果移动通信装置不处于发射模式时，该开关总是默认地设置在将天线电路与接收机电路相连的位置，将开关与接收电路相连的线路通过保护电路进行保护。
上述目的可以进一步通过一个方法来实现，该方法用于保护移动通信设备，使其防止由于静电放电所造成的损害，包括步骤：当移动通信设备在不处于发射模式的时候，将移动通信设备的天线连接到该移动通信设备的接收机电路，由此，将天线开关与接收机电路相连的线路连接到保护电路提供保护，以防止静电放电。
优选地，该保护电路是瞬变电压抑制器(TVS)。
在发射模式下，移动通信设备不会暴露于静电放电下，这是因为在该设备可以从事发射操作之前，任何积累的充电已经在用户或自动装置(hand ffee kit)等物质之间放电。因此，在发射模式下，没有必要ESD保护，也因此，没有接受的信号的失真。而在接收模式下，信号电平通常很小，使得TVS的特性和线性特性的差异是可以忽略的。因此，运用TVS来保护接收机电路不会引起显著的信号失真。所以，所提议的移动通信设备提供了强健的ESD保护，由此，可以避免发射信号的衰减和/或发射信号的失真。
进一步有利的特征在各个从属权利要求中要求。
更优选的，瞬变电压抑制器可以使用PIN二极管来实施。PIN二极管的电容很小以用来分别防止很高传输速率或很高信号频率下的信号衰减。
优选地，两个PIN二极管可以逆平行的排列以组成瞬变电压抑制器，这样就可以形成保护以防止正向和负向的瞬变脉冲。
为了避免瞬变电压抑制器上的直流供给电压或低频电压的电流泄漏，优选的，至少一个PIN二极管可以和一个低频块串行排列。对于电路不太复杂的DC块或低频电流，该低频块可以使用一个电容来实现。
建议的防止移动通信设备的ESD的保护可以用于移动电话，个人数字助理(PDA)等设备，这些设备都是用于如GSM系统那样的无线通信系统，而不能用于如UMTS系统那样的TDMA系统，在UMTS系统中天线开关用双工器代替。UMTS等系统，尤其在装有天线插件的移动设备中，天线插件用于与自动装置(hand free kit)，无绳电话，无线电话或用于声音或数据通信等的任何无线电装置进行连接，在这些地方，天线开关用双工器替换。
附图说明
在下述的描述中，本发明的特征、范围和优点可以根据具体实施例和所披露的附图来进行更好的理解，其中：
图1a表示ESD在没有经过保护的移动通信设备的印刷电路板的布局图上的放电路径；
图1b表示ESD的正尖锋脉冲在根据本发明进行保护的移动通信设备的印刷电路板布局图上的放电路径；
图1c表示ESD的负尖锋脉冲在根据本发明进行保护的移动通信设备的印刷电路板布局图上的放电路径；
图2是按本发明的保护电路的电路图。
图1a的虚线给出一路径指示，沿着该路径因静电放电(ESD)而产生的瞬变沿着没有经过保护的移动通信设备的印刷电路板(PCB)100的射频(RF)线传播。示于图1a到图1c的印刷电路板布局图仅仅是阐明本发明的原理的一个具体例子。这可以理解为，线路板布局图从一个移动通信设备到另一个可以各不相同，但是本发明可以应用于任何使用天线开关可选择地将发射机或接收机的电路与天线相连的移动通信设备。
当ESD通过移动通信设备的天线感应出来或当静电充电在天线连接器上进入设备时，ESD将到达图1a的印刷电路板的RF连接器101端。因其本质上是RF信号，ESD通过耦合电容104并沿着RF线传到天线开关102。对ESD来说天线开关本身是抗性的(resistant)，所以当瞬变经过该开关时，将不会造成任何损害。离开天线开关102后，瞬变经过另一耦合电容105，该耦合电容105可以隔开任何从移动通信设备的敏感芯片103或传输电路传出的电压。最后，由ESD引起的瞬变到达对电路过载很敏感的第一芯片103，然后接着传到发射机电路，该电路与PCB 100相连，但是没有在图1a中示出。
当天线开关处于将天线连接到RF连接器和附图1a没有示出的接收机电路的时候，ESD的瞬变将通过天线开关102底端示出的右端导线离开天线开关102，然后由此传到与PCB 100相连的接收机电路。
在第一种情况中，敏感芯片103和发射机电路或会遭受重大的损坏直至烧毁零件，产生例如由于闭锁效应而引起的翻转，或会遭受潜在的故障，该致命故障将被推迟到一个不能预料的日期发生。为保护敏感芯片103和发射电路免受由于ESD的缘故的损害，可以将瞬变电压抑制器或放置在地电势与将RF连接器101和天线开关102的导线相连的天线之间，或可以放置在地电势与将天线开关102和敏感芯片103和/或发射机电路相连的发射机RF线之间。
遗憾的是，发射功率通常很高，这就使得相应的电信号的幅度很大。因此，瞬变电压抑制器会工作在其非线性特性的一个大范围之内，该非线性特性会引起发射信号的相当大且不能忍受的失真。幸而，当移动通信设备用在发射模式下时，与ESD相关的致命性的电涌脉冲是很不可能出现的。如前述所指出的，将移动通信设备暴露于ESD的最可能的情况是将其拿起或将其例如与汽车中的自动装置连接的时候。
根据本发明，仅仅当移动通信设备处于发射模式的时候，天线开关102才将天线线路连接到发射机RF线。因此，可实现发射机RF线和与之相连的元件例如敏感芯片103和发射电路将不会被置于ESD所造成的损害之中，这是因为当ESD发生存在一定概率时，它们总是不与静电放电的输入点相连。
通过对发射电路用上述方法进行保护，只要移动通信设备被处于闲置(idle)模式时，接收机电路将被置于ESD的损害之下。为了保护接收机电路，瞬变电压抑制器被置于地电势与将天线开关102与接收机电路相连的接收机RF线之间。
接收的信号强度通常是很弱的，因此，接收信号电对应的动态幅度通常很小。不同于上述的在发射机RF线上使用保护元件的情况，接收信号的电对应物只在瞬变电压抑制器特性的一个小的范围内摆动。在这个小的范围内，线性和非线性特性的偏差是可以忽略的，因此，与以上的发射信号情况相比，所接收到的信号质量不会受很大的影响。
只要用瞬变电压抑制器来保护接收机RF的移动通信设备被暴露于ESD的可能性存在时，将天线的开关与接收机RF线相结合的所述方法给移动通信设备的电路提供了很安全和增强的保护，该方法不会对发射和接收质量产生有害的影响。
原则上，任何类型的瞬变电压抑制器比如金属氧化物变阻器(MOV)，气体放电管(GDT)，半导体闸流管，整流器，二极管等都可以被用于实施上述描述类型的保护电路。
类似于图2所示的本发明的一个具体实施例中，PIN二极管106是用作为瞬变电压抑制器。因为p掺杂层和n掺杂层之间的相对长的固有区域，PIN二极管的电容量很低。因此，连接RF线和地电势间的PIN二极管对RF信号只产生很小的影响。但是如在ESD的情况下，当RF线上的电压超过阈值或PIN二极管的击穿电压时，PIN二极管成为导体并将电涌排到地面。因此，RF线上升高的电压会分别被限制到阈值或PIN二极管的击穿电压上，该电压对接收机电路的下行电路不会带来损害。
只用单个PIN二极管作为瞬变电压抑制器要求当敏感元件电过载前，引起二极管击穿的Zener效应足够快以限制RF线上的尖锋电压。可选的，也可以使用能由雪崩效应引起击穿的PIN二极管。
本发明的较佳实施例示于图2。两个二极管106和107逆平行的连接于接收机的RF线和地面之间。这确保了PIN二极管总是工作在正向偏压的模式，因此，在任何情况下，可以足够快的保护下行的敏感元件免受及时电过载影响。
去耦电容108串行的连接在其中的一个PIN二极管上，以用来当DC供给电流从其中的一个二极管泄漏时防止能量的损失。在图2中，去耦电容108串行的与PIN二极管107相连，所以，接收机RF线上的正偏压就与地面隔离。对于接收机RF线上的负偏压，去耦电容108必须串行的与PIN二极管106相连。
去耦电容108的电容量不会对保护电路的RF性能产生负面影响。假定，PIN二极管的有效电容量是Cp，去耦电容的电容量是CD，则两个元件串联连接的总的电容量CT计算为： C T = C P C D C P + C D ; - - - ( 1 )
CT甚至比CD更小，这可以从下面的关系中推出： C T C D = C P C P + C D < 1 ; - - - ( 2 )
因此，提高了PIN二极管瞬变电压抑制器的RF特性。
当用图2所示的瞬变电压抑制器进行保护时，图1a的PCB 100上的ESD传输路线将分别由附图1b和附图1c示出。图1b示出了正尖锋脉冲的ESD的情况。静电放电在RF连接器101进入PCB 100，然后沿着天线传到天线开关102的中间引线(middle lead)。然后，静电放电通过开关102，而由于该引线与接收机RF线相连，所以不会损害该开关，以及静电放电通过PIN二极管106被短路到可在开关102底端的中间引线得到的地电势。
从RF连接器101到与接收机RF线相连的开关102的引线，ESD的负尖锋脉冲取相同的路径，但是，ESD负尖峰脉冲然后被PIN二极管107和去耦电容108短路为地电势，该地电势可通过如附图1c所示的PCB 100的右边缘的触垫得到。去耦电容的电容量相当的高(一些达到100Pf)，以使电涌低阻抗的通过。
本发明为移动通信设备提供了加强的保护，使其免受由于静电放电引起的损害。其中，不必忍受传输插入损失或发射信号质量的降低。并提供了低于0.5dB的很低的敏感损失，达到了接收信号的质量。

Claims (7)

1.一种用于无线通信系统的移动通信设备包括：
一个发射机电路用于发射信号；
一个接收机电路用于接收信号；
一个天线线路；
一个开关(102)用来将天线与接收机电路或发射机电路相连；和
一个保护电路(106，107，108)用于保护移动通信设备的电路，使其免受由于静电放电所造成的损害；
其特征在于：
如果移动通信设备不处于发射模式的时候，开关(102)总是被默认地设置在天线线路与接收机电路相连的位置，将开关与接收机电路相连的线通过保护电路(106，107，108)进行保护。
2.根据权利要求1的移动通信设备，其特征在于：保护电路是瞬变电压抑制器(106，107，108)。
3.根据权利要求2的移动通信设备，其特征在于：瞬变电压抑制器是使用PIN二极管(106，107)实施的。
4.根据权利要求3的移动通信设备，其特征在于：组成瞬变电压抑制器的两个PIN二极管(106，107)逆并行地放置。
5.根据权利要求3或4的移动通信设备，其特征在于：至少其中一个PIN二极管与低频块(108)串行配置。
6.根据权利要求3，4或5的移动通信设备，其特征在于：低频块(108)是使用电容实施的。
7.用于保护移动通信设备，使其防止由于静电放电所造成的损害的方法，包括步骤：
当移动通信设备不处于发射模式的时候，移动通信设备的天线是与该移动通信设备的接收机电路连接，由此，将天线开关(102)与接收机电路相连的线就与保护电路(106，107，108)连接以提供保护，防止静电放电。
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