【经验】SIM800/SIM900模块中SIM卡接口、RF射频接口、电源管理的ESD防护设计

时间： 2018-10-23 来源：世强

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随着物联网智能设备终端的发展，在多样化的物联网智能终端设备联网模块的设计中，在器件选型、电路设计等方面就需要考虑各种应用场合的防护设计，如各种终端设备联网模块的ESD防护设计等，本文就浅谈物联网终端中常见的GSM/GPRS联网方式中所采用的SIM800/900模块的ESD防护设计。

ESD防护一般采用两种方案：一是避免ESD的产生来实现保护；二是通过使用保护边路来实现，如使用ESD保护器件等来实现电路保护。以下就以SIM800/900模块为例，就模块设计中SIM卡接口、RF射频接口、电源管理这三部分来分析相关的ESD设计防护：

1、SIM卡模块的SIM卡接口的ESD防护

本文主要从使用ESD保护电路的方案来分析ESD防护设计，如下图1中的SIM800模块中就设计有SIM卡的ESD防护电路：

图1 SIM800模块实物

图2 SIM800/900模块SIM卡接口电路原理图

如图2所示，因常规的SIM卡属于经常插拔的器件，难免要接触到ESD产生源，为了防止在强干扰的情况下出现SIM掉卡的情况，就需要ESD保护器件避免工作在设计参数的极限附近，还需要根据被保护回路的特征及可能承受的ESD冲击的特征来选择反应速度足够快、敏感度足够高的器件，这对于有效发挥保护器件的作用十分关键，另外因SIM卡需要有多个接口，因此ESD保护器件的封装尺寸也需要考虑。

综合各种状况，设计中在SIM卡的接口上加上LITTELFUSE旗下ONSEMI的SMF05C型ESD器件，利用电阻与稳压二极管的电路组合对所连接的线路进行限流和过压保护，从而对SIM卡接口EMI滤波和ESD实现保护作用；在做ESD防护设计布板时，我们一般把ESD器件尽可能的靠近SIM卡端的接线引脚，布线按照横平竖直的方式走线，且在空间允许的情况下尽量加粗走线，对于与信号线相连接的线要避开电源走线等，与其它的诸如滤波器、光耦等器件避开，同时设计良好的地平面。

图3 SMF05C型ESD器件引脚图

如图3所示，在SIM卡接口处我们一般选用类似SMF05C型集成度较高的器件，这一类器件是SOT-363封装，同时保护5V的低容值ESD器件，由于SIM卡接口信号比较集中，因此选用集成度比价高的SMF05C器件占用板子空间要比使用分立器件更少，也更加便于板子的布线设计；如下图4、图5中两种TVS管应用方案就可以看出高集成度器件在应用中的优势。

图4 SMF05C型ESD保护方案

图5 分立器件构成ESD保护方案

2、GSM天线的ESD防护

除了以上SIM卡接口部分的ESD防护，GSM天线也是ESD设计需要重点，对于天线高频信号的保护，如图6所示，在设计中我们可以根据视频模块厂商提供的元器件参考，采用PESD0542U015型ESD器件来做天线的ESD防护，该型器件具有较小的体积，可以节约布板空间，且该器件仅具有0.05PF的电容，可以保证高频、高速信号的完整传输，在使用的时候，有些要求不严格的地方，也可以根据需要把GSM天线上的ESD器件进行替换，例如替换成PESD0402-140（具有0.25PF电容）。

图6 GSM天线的ESD防护电路原理图

图7 天线引出到SMF射频接口

如图7所示，在做GSM天线设计的时候，为了方便的引出天线以及保证天线的性能参数，我们常用SMF接头或者是IPEX接口来做天线引出接口；这里我们需要把SIM800/SIM900模块的射频接口引出到RF射频端子上，并根据需要加上射频匹配电阻，射频引线需要做50Ω的射频阻抗匹配，因此我们需要根据PCB板厂提供的板子介电常数以及相应的阻抗计算公式来设计引出馈线的走线宽度以及与地层的距离，再考虑其它信号可能会带来的干扰时，我们在RF射频馈线旁边要做立体的包地处理（在馈线两边的铺地层打上一排过孔与各层地共同构成“围栏”），这样可以对馈线形成一定程度的屏蔽保护，如果馈线有拐角的地方一般要做圆弧处理等，除了这些方法之外，在其它应用中，还需要根据具体的应用场合及PCB板布局等因素考虑其它的ESD防护措施。

3、模块供电电源管理中的ESD防护

SIM800/SIM900模块都有一个较宽的供电范围（3.4V-4.4V），这里我们按照数据手册中推荐的4V做供电设计，如下图8所示选用一颗MIC29502芯片给SIM800/SIM900模块供电，MIC29502是一颗可以提供最大电流达3A的快速响应LDO芯片，用来给模块供电比较合适，这里我们在LDO输出端与SIM800/SIM900模块的VBAT之间加上一颗型号为SMBJ5.0的TVS管，可以有效的抑制吸收从电源进入到SIM800/SIM900模块供电引脚的浪涌，可以给模块提供更加稳定的电源，在板子布局的时候，一般我们需要使得LDO输出端与模块的VBAT引脚尽可能接近，同时把TVS管尽可能的靠近VBAT引脚，从而达到最大限度的降低来自供电电源的ESD对SIM800/SIM900模块的影响，保证模块供电电源稳定、工作状态稳定。

图8 模块供电电源电路原理图

世强是获得Littelfuse“最佳市场开发代理商”的分销商，可供应Littelfuse旗下过流保护器件、过压保护器件、TVS管、ESD器件等全线产品，可为物联网、车载设备、大小家电、便携设备、通信设备等领域提供解决方案及技术支持，产品供货稳定，价格具有竞争力。

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全部评论（14）

sternlycore Lv6. 高级专家 2020-05-02

VCC_9V是预留设计嘛，如果9V转4V使用LDO那效率真是太低了，而且发热肯定很严重
浩如烟 Lv6. 高级专家 2018-12-20

学习了
用户33624719 Lv4. 资深工程师 2018-12-19

好好。
用户13871211 Lv7. 资深专家 2018-12-07

了解了
小康 Lv7. 资深专家 2018-11-04

不错

阿呆lw Lv3. 高级工程师 2018-11-02

天线处考虑esd保护，除了电容大小，对于保护的耐压的考虑是否需要做
加一 Lv7. 资深专家 2018-10-26

正在做sim800c的模块，学习了
vivid Lv4. 资深工程师 2018-10-23

学习一下
妍妍 Lv5. 技术专家 2018-10-23

非常不错
duanmaxie Lv8. 研究员 2018-10-23

学习了

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产品型号	品类	厂牌	Reverse Stand off Voltage V-R (Volts)	Breakdown Voltage V-BR (Volts) @ I-T MIN	Breakdown Voltage V-BR (Volts) @ I-T MAX	Test Current I-T (mA)	Maximum Clamping Voltage V-C @ I-PP (V)	Maximum Peak Pulse Current I-PP (A)	Maximum Reverse Leakage I-R @ V-R (µA)
SMBJ5.0A-HRA	TVS Diode	LITTELFUSE	5	6.4	7	10	9.2	65.3	800

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