【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

技术问答

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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选型指南 - LITTELFUSE - v0420 - 0420 PDF 英文下载

美森科（MSKSEMI）ESD防护器件/二极管/三极管/LDO/MOSFET选型指南

描述- MSKSEMI(美森科半导体)公司是一家全球知名的半导体分立元器件厂商，产品远销全球多个国家，被公认为是半导体行业富有创新力的公司之一。美森科从事于ESD防静电保护管、TVS管、MOSFET场效应管、二三极管，集成电路等半导体器件的研发设计及生产，是一家创新型技术企业。广泛应用于手机、电脑、网络通信、消费类电子、工业控制LED照明、医疗电子、新能源应用等众多领域。拥有资深电子工程师多名及产品研发测试中心，竭诚为客户提供高效率、高质量、全方位的技术和一站式服务。

型号- SMCJ36CA,DTC113ZCA,MS9926BS,DTC114TUA,GBLC15CI-MS,SMAJ6.0CA,SD36-MS,SMAJ40CA,SMBJ51A,SMF10CA,ZMM2V4-MS,ES6EC,ESD5Z08-MS,SS120A,ZMM24B-MS,SS120F,MMBT4401,MMBT2222,DTA144EKA,RS3BBF,MMBT4403,MSDXXC 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选型指南 - 美森科 - 2023/5/7 PDF 中文下载

【经验】双向TVS管在IGBT门极驱动电路中的功能分析及选型

在IGBT的门极与发射极之间增加一颗双向TVS管，选择合适的钳位电压，可以实现对门极电压的钳位。推荐采用Littelfuse推出的双向TVS管SMBJ1xCA系列，具有出色的电压钳位能力，峰值脉冲功率可达600W，同时具有快速的响应时间，从0V到击穿电压最小值的响应时间通常小于1ps，可以保证在门极电压VGE升高时迅速反应，有效抑制门极电压的抬升。

设计经验发布时间 : 2018-10-11

【选型】500W CAN总线保护双向TVS管，适用于EPS防雷保护设计

Littelfuse的CAN总线保护TVS管SM24CANB-02HTG，为500W TVS二极管阵列，内含两个双向TVS管，封装为SOT23-3。反向工作电压VRM为24V，0.1μA泄露电流Ileak（max），符合AEC-Q101汽车标准。

器件选型发布时间 : 2018-03-27

如何为手机SIM卡接口ESD防护选择一款合适的过压保护器件？

为避免手机SIM卡接口因带电插拔或人体静电导致相关敏感电子器件被静电打死，推荐选择Littelfuse（力特）推出的四通道TVS阵列SP3002-04UTG，最大反向工作电压VRWM为6V，最大反向漏电流ILEAK为0.5μA，最大钳位电压13V，输入/输出的电容为二极管结电容典型值仅为0.85pF，通过IEC61000-4-2 ±12kV（contact）、±15kV（Air）ESD测试认证。

设计经验发布时间 : 2018-12-12

【技术大神】基于TVS管阵列的ESD防护设计及注意事项

本文介绍了笔者在智能采集终端项目技术改进中如何对TVS管进行选型，及设计过程中需要注意的设计事项。

技术探讨发布时间 : 2016-10-26

【经验】静电防护产品ESD二极管的选用说明

ESD静电二极管在便携式电子产品ESD静电防护的器件选型上有优先选用权，其封装型号很丰富，体积小，可应用场景更多，以我们的智能手机为例，其SIM卡接口、耳机、USB端口等这些在电路设计中必须添加ESD保护器件。本文优恩半导体将为您介绍ESD二极管的选用说明。

设计经验发布时间 : 2022-10-12

【选型】为RS232串口数据线（TxD、RxD、GND）通信选择合适的TVS管

RS232通信一般由三条数据线组成，即TxD、RxD和GND，为保证RS232串口数据通信免受ESD影响，一般需要在TxD与GND、RxD与GND间加入一颗TVS管做ESD防护设计，本文推荐选用高性能版littelfuse的双向TVS管SPHV15-01ETG-C，或者选择低成本版高特双向TVS管GSD15C，两者的最大反向工作电压均为15V，均为小尺寸贴片封装，均可满足设计需求。

器件选型发布时间 : 2019-08-20

USB接口和SIM卡接口防静电使用的ESD器件要求有不同吗？

基本上是没有不同的，SIM卡接口有四路，分别为VBUS、DATA、CLK、RESET，每路均需要做ESD防护，而USB接口中的USB1.1/USB2.0也是四路，分别为VBUS、D+、D-、GND，其中除GND外均需要做ESD防护，不过USB3.0接口在USB1.1/USB2.0原四路信号的基础上，有新增SSTX+/SSTX-、SSRX+/SSRX-，这四路高速信号均需要做ESD防护。且工作电压VBUS也兼容（5V），如果每路均选用一颗双向的TVS管，要求直接接触的ESD耐压大于±8KV即可，当然，可以选择1颗四路双向TVS阵列做ESD防护，或者2颗双路双向TVS阵列。针对SIM卡ESD防护设计做选型推荐如下，为littelfuse（力特）保护器件：USB1.1/USB2.0ESD防护设计推荐选型如下，为littelfuse（力特）保护器件：：USB3.0 ESD防护设计推荐选型如下，为littelfuse（力特）保护器件：：

技术问答发布时间 : 2018-10-27

超小封装0201、超低压1.8V/2.5V、符合车规AEC-Q101认证的ESD

描述- 优恩ESD器件符合车规AEC-Q101认证，在器件的整个使用寿命期间保持稳定一致的性能，有用业界领先的超低截止电压（可至1.8V），低钳位电压能够有效保护后端精密IC，快速的响应时间小于1ns，超低漏电流nA，超低寄生电容至0.15pF，并且器件封装多样化，满足各种端口应用；

商品及供应商介绍 - 优恩半导体 - 2021年11月 PDF 中文下载

【选型】为SD卡电源及数据线（CLK、CMD、DAT0~DAT3）通信选择一款合适的TVS管

车辆远程监终端GPRS模块上有用到SD卡，为保证SD卡数据通信免受ESD影响，需要对SD卡工作电压和数据线上均加入一款TVS管做ESD防护设计，本文推荐选用littelfuse的双向TVS管SP1233-01ETG，具有3.3V最大反向工作电压，0.5μA最大泄露电流，可安全吸收±30kV（接触放电，IEC 61000-4-2）时反复性ESD震击，而性能无任何降低。

器件选型发布时间 : 2019-08-21