新型低電容EMI濾波器為手機(jī)帶來(lái)更強(qiáng)抗干擾性能

隨著手機(jī)中LCD及相機(jī)的視頻分辨率提高，數(shù)據(jù)工作的頻率將超過(guò)40MHz，對(duì)抑制無(wú)線EMI與ESD而言，傳統(tǒng)的濾波器方案已達(dá)到它們的技術(shù)極限。為適應(yīng)數(shù)據(jù)速率的增加且不中斷視頻信號(hào)，設(shè)計(jì)者可以選擇本文討論的新型低電容、高濾波性能EMI濾波器。
　　
　　隨著無(wú)線市場(chǎng)的繼續(xù)發(fā)展，下一代手機(jī)將擁有更多的功能特性，例如帶多個(gè)彩屏(每部手機(jī)至少有兩個(gè)彩屏)以及百萬(wàn)像素以上的高分辨率相機(jī)等。

　　
　　圖1：LCD模塊周圍的噪聲與ESD傳輸路徑。
　　
　　仍舊受緊湊設(shè)計(jì)趨勢(shì)的推動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高分辨率LCD及相機(jī)將使設(shè)計(jì)者面臨多種挑戰(zhàn)，其中一個(gè)主要設(shè)計(jì)考慮便是這些新模塊對(duì)電磁干擾(EMI)的敏感性。
　　
　　對(duì)于目前流行的許多手機(jī)(尤其是翻蓋型手機(jī))來(lái)說(shuō)，彩色LCD或相機(jī)CMOS傳感器通過(guò)連接在手機(jī)(上下)兩個(gè)主要部分之間的柔性或長(zhǎng)走線PCB與基帶控制器相連。
　　
　　一方面，該連接線會(huì)受到由天線輻射出的寄生GSM/CDMA頻率的干擾。另一方面，由于高分辨率CMOS傳感器及TFT模塊的引入，數(shù)字信號(hào)工作于更高的頻率上，從而使該連接線會(huì)像天線一樣產(chǎn)生EMI/RFI或可能造成ESD危險(xiǎn)事件。
　　
　　總之，在上述兩種情況下，所有這些EMI及ESD干擾均會(huì)破壞視頻信號(hào)的完整性，甚至損壞基帶控制器電路。
　　
　　為抑制這些EMI輻射并保證正常的數(shù)據(jù)傳輸，可考慮實(shí)現(xiàn)幾種濾波器解決方案，這可通過(guò)使用分立阻容濾波器或集成的EMI濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　
　　圖2：GSM衰減頻率對(duì)應(yīng)濾波電容。

　EMI及ESD噪聲抑制方法
　　
　　如果考慮到板空間、手機(jī)工作頻率上的高濾波性能以及保存信號(hào)完整性等設(shè)計(jì)約束，目前已知的解決方案正在達(dá)到其技術(shù)極限。
　　
　　分立濾波器不能為解決方案提供任何空間節(jié)省，而且還只能提供針對(duì)窄帶衰減的有限濾波性能，故大多數(shù)設(shè)計(jì)者目前都在考慮集成的EMI濾波器。
　　
　　在配有高分辨率LCD及嵌入式相機(jī)的手機(jī)中，信號(hào)是通過(guò)特定頻率(取決于分辨率)從基帶ASIC被傳送至LCD及內(nèi)嵌的相機(jī)上。
　　
　　視頻分辨率越高，數(shù)據(jù)工作的頻率亦越高。迄今為止，一般數(shù)據(jù)工作在大約6至20MHz的頻率上，且分辨率的競(jìng)賽還會(huì)促使相機(jī)模塊制造商繼續(xù)將此頻率提高至40-60MHz。

　　
　　圖3：新型濾波器單元結(jié)構(gòu)(串聯(lián)電阻為100歐姆，線電容為17pF)。
　　
　　為適應(yīng)數(shù)據(jù)速率的增加且不中斷視頻信號(hào)，設(shè)計(jì)者必須選擇考慮了理論建議的低電容的濾波器，即：濾波器截止頻率(1/2πRC)必須大約為時(shí)鐘頻率的5倍。
　　
　　在目前的無(wú)線終端中，對(duì)于30至60萬(wàn)像素的相機(jī)模塊來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘頻率大約介于6至12MHz之間。故建議將濾波器(上下)截止頻率選擇在30至50MHz范圍內(nèi)。很多濾波器解決方案都遵循此理論建議，但隨著分辨率的提高以及時(shí)鐘頻率超過(guò)40MHz，濾波器截止頻率必須處于200MHz范圍內(nèi)。因此，可預(yù)見(jiàn)一些濾波器解決方案正在達(dá)到它們的極限。
　　
　　表1給出了幾種濾波器電容值與截止頻率的對(duì)照，以及時(shí)鐘兼容性。這表明低電容濾波器是最適合高頻率、高速數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)慕鉀Q方案。
　　
　　不過(guò)設(shè)計(jì)者知道，在濾波電容值與GSM/CDMA頻率上的衰減特性之間存在著無(wú)法解決的折衷問(wèn)題。低電容結(jié)構(gòu)會(huì)影響濾波器的高頻性能，且目前大多數(shù)低電容濾波器都不能在900MHz頻率上提供優(yōu)于-25dB的衰減性能。圖2顯示了EMI濾波電容對(duì)GSM頻率衰減的影響。

　　
　　圖4：新型低電容EMI濾波器S21參數(shù)測(cè)量。

　性能改進(jìn)后的低電容EMI濾波器
　　
　　為滿足以低電容濾波器實(shí)現(xiàn)但同時(shí)保持高濾波性能這種矛盾的要求，意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)出在900MHz頻率上具有高頻衰減特性并采用超低電容結(jié)構(gòu)的新一代EMI濾波器。
　　
　　這些基于IPAD技術(shù)(集成有源、無(wú)源器件)的新型EMI濾波器，采用了帶集成ESD保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)PI濾波器結(jié)構(gòu)。圖3表示一種帶串聯(lián)電阻及電容的基本濾波器單元配置。
　　
　　這種新型低電容結(jié)構(gòu)用來(lái)提供200MHz范圍內(nèi)的截止頻率，可支持時(shí)鐘頻率超過(guò)40MHz的數(shù)據(jù)速率。
　　
　　盡管二極管電容已被極大地減少至8.5pF，但它能提供出色的濾波性能，即在大約900MHz的頻率范圍內(nèi)衰減特性優(yōu)于-35dB。
　　
　　圖4顯示采用此濾波器基本單元架構(gòu)的S21參數(shù)指標(biāo)。圖中顯示在900MHz頻率上具有35dB的衰減特性，這是一種通過(guò)17pF線電容集成EMI濾波器來(lái)達(dá)到的空前性能。

　　
　　圖5：分別通過(guò)高、低電容濾波器的40MHz數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果比較。
　　
　　除濾波功能外，集成輸入齊納二極管還能抑制高達(dá)15kV的空中放電ESD沖擊，達(dá)到了IEC61000-4-2第4級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的性能水平。
　　
　　高速數(shù)據(jù)兼容性
　　
　　為了不擾亂視頻信號(hào)，新型低電容濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)采用了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的線電容值，以支持時(shí)鐘頻率高于40MHz的芯片組。
　　
　　這種結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)上升、下降沿只有很小的影響，且器件輸入、輸出間幾乎沒(méi)有什么延時(shí)。
　　
　　用最大2.8V、1ns的信號(hào)對(duì)輸入Rt(10-90%上升沿)及 Ft(10-90%下降沿)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，由濾波器引起的延時(shí)(輸出與輸入信號(hào)之差)不超過(guò)1ns?？梢钥隙ǎ词箤?duì)于高分辨率LCD或相機(jī)應(yīng)用，也能完全保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。
　　
　　圖5顯示了工作于40MHz頻率上的3V視頻信號(hào)分別通過(guò)高、低電容濾波器的傳輸情況比較。可以發(fā)現(xiàn)，高電容結(jié)構(gòu)所引起的延時(shí)是低電容結(jié)構(gòu)的5至6倍。在這種情況下，信號(hào)輸出電壓不能被正確地接收。

　　
　　表1：截止頻率及時(shí)鐘信號(hào)兼容性對(duì)應(yīng)濾波器解決方案。

　
　　高集成解決方案
　　
　　與分立設(shè)計(jì)相比，使用設(shè)計(jì)成帶層疊凸點(diǎn)的倒裝芯片封裝型集成EMI濾波器，可簡(jiǎn)化PCB布局并節(jié)省高達(dá)80%的板面積。
　　
　　結(jié)果表明，線集成率(PCB面積/線數(shù))大約為0.6。這意味著這些新型濾波器可以每線占去0.6mm2的PCB面積來(lái)提供EMI功能及ESD保護(hù)。
　　
　　建議該新型濾波器系列采用4、6及8條“PI”線配置來(lái)提供設(shè)計(jì)靈活性并滿足大多數(shù)高速數(shù)據(jù)線設(shè)計(jì)要求。其PCB面積占用分別為2.4mm2、3.7mm2及5.0mm2，故幾乎可完全采用傳統(tǒng)的SOT323塑料封裝。
　　
　　意法半導(dǎo)體公司的新型低電容EMI濾波器支持4、6及8線配置，每一種配置均包含側(cè)接有齊納二極管的RC濾波網(wǎng)絡(luò)。100歐姆的串聯(lián)電阻與17pF的線電容值被用來(lái)達(dá)到在0.8MHz至2GHz范圍內(nèi)最小30dB的衰減。器件的低電容意味著它們能被用于下一代時(shí)鐘頻率超過(guò)40MHz的LCD顯示器及相機(jī)傳感器。