摄像头模组ESD保护模型分析与电路设计-AET-电子技术应用

摄像头模组ESD保护模型分析与电路设计

2015年电子技术应用第12期

俞晓东1，2，万国春1

1.同济大学电子与信息工程学院，上海201804；2.宁波舜宇光电信息有限公司，浙江余姚315400

摘要： 摄像头模组主要由镜头、滤色片、音圈马达、马达驱动、图像传感器等部件构成。图像传感器和音圈马达驱动都是CMOS半导体器件，对ESD(Electro-Static Discharge)非常敏感。本文的主要内容包括以下几个方面：(1)摄像头模组的ESD保护设计，主要从结构设计和电子设计两个方面来阐述，结构设计时主要对ESD敏感区的保护;电子设计时主要是对CMOS芯片的接口引脚进行保护。(2)人体模型的研究，主要讨论HBM(Human Body Model)的仿真模型的创建。(3)静电释放的波形仿真和实验, 主要讨论测试环境的建立，并对比目标和实际波形。

关键词： 静电释放摄像头模组马达驱动图像传感器

中图分类号： TN701
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2015.12.008

中文引用格式： 俞晓东，万国春. 摄像头模组ESD保护模型分析与电路设计[J].电子技术应用，2015，41(12)：36-38.
英文引用格式： Yu Xiaodong，Wan Guochun. Camera module ESD protection design and simulation[J].Application of Electronic Technique，2015，41(12)：36-38.

Camera module ESD protection design and simulation

Yu Xiaodong1，2，Wan Guochun1

1.School of Electronics and Information，Tongji University，Shanghai 201804，China； 2.Zhejiang Ningbo Sunny Opotech Co，Ltd.，Yuyao 315400，China

Abstract： Camera module consist of lens, IR-cut filter, VCM, driver IC, CMOS image sensor. Image sensor and driver IC is LSI CMOS component, so it is also ESD sensitive component. The main content is as following：(1)How to design ESD protection of camera module, and it contains electrical design and structure design. (2)Study of HBM, it contains how to build up HBM. (3)ESD waveform simulation and test, it contains how to build test evironment, and compare target and real waveform.

Key words : electro-static discharge；camera module；motor driver；CMOS image sensor

0 引言

摄像头的主要组成部分是镜头、滤色片、音圈马达、马达驱动、图像传感器。图像传感器和音圈马达驱动都是CMOS半导体器件，属于ESD敏感器件，如果欠保护或操作不当很容易被静电击穿，从而导致摄像头功能失效，常见的表现为不能预览、马达不对焦、I²C通信失败，发热异常等。研究手机摄像头的ESD保护设计方法、ESD失效分析方法和ESD测试仿真方法对本行业的技术人员十分重要，有利于提高产品质量，解决各种疑难问题。

1 摄像头模组的ESD保护设计

1.1 ESD产生和定义

自然界中的物质，可经由某种过程而获得或失去电子(例如摩擦或感应起电)，这类的电荷即称为静电。当这些正电荷或是负电荷逐渐累积时，会与周围环境产生电位差，电荷若是经由放电路径而产生在不同电位之间移转现象，即称此为静电放电现象，简称为ESD。

ESD保护要求迅速泄放静电的能力，在静电泄放过程中保护结构不会被损伤，ESD保护结构应该具有较大的功率承受能力，这是ESD保护结构最基本的要求，放电速度应足够快，否则会造成内部电路受到损伤。电路正常工作状态下，ESD保护结构必须处于截止状态，不能影响电路的性能;由于ESD保护结构在触发时通过的电流很大，容易触发闩锁效应，比较常用的方法是采用保护环结构^[1]。通用的ESD保护设计主要可以分解为电子和结构两个方面，经常需要综合考虑。

1.2 摄像头模组结构方面的ESD保护设计

根据摄像头模组的结构，必须对模组的区域分别考虑,这样有利于全面地分析模组的抗ESD能力，否则抓不住问题的重点，无法正确破解ESD问题。模组的连接器引脚和音圈马达的焊点都直接和CMOS器件，如图像传感器和马达驱动芯片连接，属于ESD的敏感区。模组的镜头马达端面和FPC背部大面积覆地区都属于非ESD敏感区。如果需要更深入地分析整个模组ESD敏感区强弱分布，则还要对中间未定义的区域进行划分。图1展示了手机摄像头的几个ESD敏感区域。

1.3 摄像头模组电子方面的ESD保护设计

1.3.1 马达驱动芯片的ESD保护设计

如图2所示，当ESD加到IOUT引脚时，它会通过ESD保护二极管(正常路径A)。若加入到ESD保护二极管的电压超过允许的范围值(6 kV~7 kV)就会发生击穿，并破坏IOUT引脚(异常路径B)。

马达驱动芯片的ESD保护十分重要，为了保护马达驱动芯片，一般可以通过增加高频电容提高模组驱动芯片的抗ESD能力，如图3所示。

1.3.2 图像传感器芯片的ESD保护设计图

SDA引脚是集电极开路门结构，在上拉方向没有保护电路。（为了与其他的I2C器件共用总线，I2C的SDA必须保持高电平，不能被拉低。）ESD冲击波只能从单路释放，所以对静电非常敏感，如图4所示。

为了有效地保护模组的I²C接口，在SCL和SDA两个引脚串入保护电阻Rs可以防止静电击穿。

手机摄像头模组基本上发送命令都需要通过I2C，一旦I²C接口失效，主机就没有办法与模组通信。

2 人体放电模型研究（HBM）

手机摄像头模组生产出来以后，需要做各种可靠性实验。为了测试摄像头的抗静电能力，实验室模拟人体静电释放模型的放电波形，此静电强度与人体静电释放强度十分接近，这样通过实验可以准确地知道摄像头模组的抗静电能力。

2.1 HBM模型定义

HBM(Human Body Model)是ESD测试中使用最广泛的模型，该模型模拟人体接触电子器件时产生的放电现象，如图5所示。首先建立了一个简单的等效电路，如图6所示,另外还需要建立必要的测试方法来做人体静电释放事件的再现。

2.2 HBM模型的数学推导和波形仿真

HBM模型是一个典型的RC放电模型，如图7所示，可以使用经典微积分方法推导出电压和电流的时间函数。具体的推导方式如下：

建立仿真模型时，需要对各个元器件进行初始化参数设定。其中对电容元件的初始化设定比较重要。仿真波形主要分为电压波形和电流波形。

从图8的电流波形和图9的电压波形图中可以看到，静电释放在200 ns完成，主要原因是人体静电的能量非常小（人体静电存储只有100 pF）,电压和电流却非常高，但维持时间却非常小，这就是静电释放的基本特性。了解了人体静电释放的这些基本特性，就可以通过各种人为的方法来疏导或阻止静电释放，从而有效地保护摄像头模组免受静电损坏。