適合便攜應(yīng)用的集成EMI濾波及ESD保護(hù)方案

時(shí)間：2018-07-19 17:50:05

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　　如今的手機(jī)等便攜設(shè)備的尺寸日趨小巧纖薄，同時(shí)又在集成越來(lái)越多的新功能或新特性，如大尺寸顯示屏、高分辨率相機(jī)模塊、高速數(shù)據(jù)接口、互聯(lián)網(wǎng)接入、電視接收等，讓便攜設(shè)備的數(shù)據(jù)率及時(shí)鐘頻率越來(lái)越高。這樣，便攜設(shè)備面臨著諸多潛在的電磁干擾（EMI）/射頻干擾（RFI）源的風(fēng)險(xiǎn)，如開關(guān)負(fù)載、電源電壓波動(dòng)、短路、電感開關(guān)、雷電、開關(guān)電源、RF放大器和功率放大器、帶狀線纜與視頻顯示屏的互連及時(shí)鐘信號(hào)的高頻噪聲等。因此，設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)音頻插孔/耳機(jī)、USB端口、揚(yáng)聲器、鍵盤、麥克風(fēng)、相機(jī)、顯示屏互連等多個(gè)位置，為便攜設(shè)備選擇適合的EMI/RFI濾波方案。

　　常見EMI/RFI濾波器類型及濾波要求

　　對(duì)于EMI/RFI濾波器而言，從架構(gòu)上看，最常見的架構(gòu)是“Pi”濾波器，顧名思義，這種架構(gòu)類似于希臘字母“π”。常見的π型濾波器有兩種，分別是C-R-C（電容-電阻-電容）濾波器和C-L-C（電容-電感-電容）濾波器。其中，C-R-C濾波器（見圖1a）也稱RC-π型濾波器或π型RC濾波器，用于音頻及低速數(shù)據(jù)濾波應(yīng)用；C-L-C濾波器（見圖1b）也稱作LC-π型濾波器或π型LC濾波器，用于音頻、低速及高速數(shù)據(jù)濾波應(yīng)用。

　　π型濾波器還有一種擴(kuò)展類型，即形狀象梯子的梯形濾波器，其中最常見的是LC（電感電容）梯形濾波器（見圖1c），這種濾波器承受更高的數(shù)據(jù)率，但在濾波元件（電感或電容）增多時(shí)，尺寸和成本會(huì)成為問題，導(dǎo)致物料成本更高、封裝更大。

　　圖1：常見EMI/RFI濾波器類型的結(jié)構(gòu)示意圖：a） π型RC；b） π型LC；c） LC梯形。

　　這幾種類型的EMI/RFI濾波器中，從頻幅響應(yīng)比較來(lái)看，π型RC濾波器的躍遷帶（transition band）最寬，轉(zhuǎn)折率（rolloff）最低；π型LC濾波器的轉(zhuǎn)折率較低，但躍遷帶適中；梯形濾波器則能實(shí)現(xiàn)極高的轉(zhuǎn)折率及較窄的躍遷帶寬。

　　就EMI/RFI濾波而言，以手機(jī)應(yīng)用為例，傳統(tǒng)上的一個(gè)基準(zhǔn)頻率是800 MHz，因?yàn)?00 MHz接近手機(jī)所用頻段的起始頻率。大多數(shù)情況下，手機(jī)設(shè)計(jì)工程師要求在800 MHz以上頻率進(jìn)行濾波，這一般意味著最低30 dB的信號(hào)衰減。隨著手機(jī)中功能的增多以及時(shí)鐘與數(shù)據(jù)信號(hào)的分類，基準(zhǔn)頻率正在降低。許多便攜電子產(chǎn)品制造商要求在400 MHz頻率進(jìn)行EMI/RFI濾波，未來(lái)可能還會(huì)要求在更低頻率下進(jìn)行EMI/RFI濾波。

　　集成EMI濾波與ESD保護(hù)

　　在便攜產(chǎn)品中，濾波器一般位于鄰近連接端口、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的位置。而恰好這些位置也可能面臨靜電放電（ESD）事件。以音頻線路為例，如果采用分立元件方案來(lái)分別進(jìn)行EMI濾波和ESD保護(hù)，就面臨著執(zhí)行這兩項(xiàng)功能所需要的元器件數(shù)量問題。其中，就EMI濾波器而言，如果使用1個(gè)分立的π型LC濾波器，就需要2個(gè)表面貼裝電容和1個(gè)表面貼裝電感。為了提供ESD保護(hù)，還需要額外增加某種類型的表面貼裝瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）二極管。這樣，1條音頻線路的EMI濾波和ESD保護(hù)就需要4個(gè)獨(dú)立元件，這里還未提及這些元件所需占用的便攜設(shè)彌足珍貴的空間問題。如果不止1條音頻線路，那采用分立元件方案就更不切實(shí)際了。

　　因此，最簡(jiǎn)單的方案就是在同一個(gè)元件中集成EMI濾波與ESD保護(hù)功能。首先，集成方案中的集成型TVS二極管也提供EMI濾波所需的電容；其次，改進(jìn)工藝技術(shù)也可大幅提升集成型電感的質(zhì)量。通過將這些集成型元器件集成到硅片上，原來(lái)需要多個(gè)獨(dú)立元件的方案，就可以采用集成型EMI濾波+ESD保護(hù)方案（參見圖2）。

　　圖2：集成型EMI濾波+ESD保護(hù)方案：a） π型RC；b） π型LC；c） LC梯形。

　　其中，在ESD保護(hù)等級(jí)方面，IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了系統(tǒng)級(jí)測(cè)試條件及保護(hù)等級(jí)，這等級(jí)分為4種，便攜應(yīng)用通常需要的是第4級(jí)保護(hù)，即在8 kV接觸放電或15 kV空氣放電IEC61000-4-2測(cè)試條件下，便攜設(shè)備需要能夠承受住ESD事件沖擊。

　　總的來(lái)說(shuō)，通過高性價(jià)比地集成EMI濾波與ESD保護(hù)，便攜應(yīng)用設(shè)計(jì)人員可以降低成本，減少物料單（BOM）元件數(shù)量，并減小電路板占用空間。

　　常見EMI/RFI濾波器類型及濾波要求

　　圖1：常見EMI/RFI濾波器類型的結(jié)構(gòu)示意圖：a） π型RC；b） π型LC；c） LC梯形。

　　集成EMI濾波與ESD保護(hù)

　　圖2：集成型EMI濾波+ESD保護(hù)方案：a） π型RC；b） π型LC；c） LC梯形。

　　針對(duì)便攜設(shè)備具體應(yīng)用的EMI濾波+ESD保護(hù)方案

　　在便攜設(shè)備市場(chǎng)，手機(jī)占據(jù)重要位置。自然地，手機(jī)中諸多位置都會(huì)應(yīng)用到集成ESD保護(hù)的濾波器。就手機(jī)應(yīng)用而言，常用的濾波器除了LC和RC濾波器，還有共模扼流圈EMI濾波器，這種濾波器幫助減少寄生電感，提供更出色的共模濾波。這些手機(jī)濾波器的類型帶寬頻譜見圖3。

　　圖3：手機(jī)濾波器類型帶寬頻譜。

　　不同的手機(jī)應(yīng)用需要采用不同的濾波器。一般而言，應(yīng)用的數(shù)據(jù)率越高，濾波器線路的總電容就要越小。對(duì)于音頻線路等數(shù)據(jù)率相對(duì)較低的手機(jī)應(yīng)用而言，EMI濾波器的標(biāo)準(zhǔn)電容在幾百個(gè)pF范圍內(nèi)，就足以提供優(yōu)秀的濾波性能和最小的信號(hào)干擾。

　　其中，在揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)、音頻插孔/耳機(jī)等音頻應(yīng)用中，可以選用LC或RC類型的濾波器，如安森美半導(dǎo)體的NUF2441FCT1G、NUF2450MUT1G、NUF2114MNT1G、NUF2116MNT1G和NUF4220MNT1G等，這些濾波器均集成了ESD保護(hù)功能，保護(hù)2條至4條音頻線路，二極管電容在數(shù)十pF到240 pF之間。以NUF2441FC為例，這LC濾波器為2條音頻線路提供EMI濾波與IEC61000-4-2第4級(jí) ESD保護(hù)功能，采用倒裝芯片（flip-chip）封裝，以單顆IC替代2顆電感、4顆電容再加4顆TVS二極管，幫助節(jié)省成本及減小電路板占用空間。

　　NUF2450MUT1G也是一款雙線式LC型EMI濾波及ESD保護(hù)器件，在800 MHz至5.0 GHz頻率范圍下提供大于-30 dB的衰減；這器件采用節(jié)省空間的uDFN 1.2×1.8×0.5 mm的超小封裝，提供20 MHz的截止頻率與極小的線路阻抗，非常適合需要低帶通衰減的音頻應(yīng)用。NUF2114MNT1G則是一款雙線式RC型EMI濾波及ESD保護(hù)器件，采用DFN8封裝，在900 MHz至3.0 GHz頻率下提供大于-30 dB的衰減，同樣以單顆IC替代多達(dá)10顆分立元件，幫助降低成本及節(jié)省空間。

　　在手機(jī)應(yīng)用中，顯示屏和相機(jī)等數(shù)據(jù)線路的帶寬比音頻更高，可以采用RC濾波器，如安森美半導(dǎo)體采用uDFN封裝的NUF40xx、NUF60xx和NUF80xx等系列器件。此外，安森美半導(dǎo)體還為數(shù)據(jù)線路濾波應(yīng)用推出采用極小型WDFN/uDFN封裝的X3系列RC濾波器，包括NUF4310MN和NUF4110MN。這新系列的4通道RC濾波器在2.5 V電壓時(shí)的線路電容僅為17 pF，集成了40個(gè)分立元件，提供極小占位面積（1.0×1.4×0.75 mm/1.0×1.6×0.75 mm）、極低阻抗（100 Ω）和業(yè)界領(lǐng)先的ESD保護(hù)（IEC61000-4-2第4級(jí)），支持高達(dá)120 Mbps帶寬，適合手機(jī)、移動(dòng)互連設(shè)備（MID）、便攜式媒體播放器（PMP）、數(shù)碼相機(jī)、膝上型電腦或上網(wǎng)本等便攜產(chǎn)品的高分辨率相機(jī)模塊和顯示屏等應(yīng)用。

　　在上述手機(jī)高分辨率顯示屏和相機(jī)接口等數(shù)據(jù)應(yīng)用中，還可以采用高速LC濾波器，如安森美半導(dǎo)體的NUF2900MN。與傳統(tǒng)RC濾波器相比，高速LC濾波器的截止頻率更高、寬頻衰減更大、插入損耗更低。如NUF2900MN的典型截止頻率為350 MHz，在800 MHz至6.0 GHz頻率時(shí)提供大于-30 dB的衰減，插入損耗性能也更具優(yōu)勢(shì)，參見圖4。

　　圖4：典型RC EMI濾波器與高速LC EMI濾波器（NUF2900）的響應(yīng)性能比較。

　　值得一提的是，手機(jī)中的高帶寬應(yīng)用越來(lái)越多，顯示屏尺寸更大且分辨率更高，而且空間受限，推動(dòng)并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向串行數(shù)據(jù)，解決方案就是采用低壓差分信令（LVDS）來(lái)串行MDDI、MPPI、USB 2.0和uSerDes等數(shù)據(jù)，相應(yīng)地采用共模扼流圈（CMC） EMI/RFI濾波器，通過高帶寬差分信號(hào)，同時(shí)濾除不需要的共模EMI/RFI信號(hào)。在這方面，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUC2401MN高速串行數(shù)據(jù)濾波器。這是業(yè)界首款集成超低電容（0.8 pF） ESD保護(hù)和共模濾波技術(shù)的CMC濾波器，采用小型2.0×2.2 mm DFN封裝，單顆元件適合USB2.0（480 Mbps）、IEEE1394（400 Mbps）、MDDI（最高550 Mbps）、MIPI（最高1.0 Gbps）和HDMI 1.2（每通道最高1.32 Gbps）等多種高速設(shè)計(jì)，為這些應(yīng)用消除共模噪聲，提供純凈的數(shù)據(jù)流。

　　圖5：帶超低電容ESD保護(hù)的集成CMC濾波器NUF2401MN用于USB2.0等高速應(yīng)用。

　　值得一提的是，NUC2401MN與電容同樣低于1 pF的硅競(jìng)爭(zhēng)器件相比，提供更優(yōu)異的ESD鉗位性能，非常適合高速數(shù)據(jù)線路的EMI濾波及ESD保護(hù)應(yīng)用。

　　總結(jié)

　　手機(jī)等便攜設(shè)備隨著數(shù)據(jù)率及時(shí)鐘頻率的提高，越來(lái)越需要高性能的EMI濾波與ESD保護(hù)方案。安森美半導(dǎo)體提供新的集成型EMI濾波器，在提供優(yōu)異的EMI/RFI濾波性能的同時(shí)，還提供符合IEC61000-4-2 4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的ESD保護(hù)功能，以單顆IC替代10顆甚至數(shù)十顆分立元件，非常適合手機(jī)等便攜應(yīng)用中的音頻及數(shù)據(jù)線路應(yīng)用。