新一代ECMF新系列保護芯片簡介

傳統(tǒng)的EMI低通濾波器，如RC濾波器或LC濾波器，將很快達到濾波器的極限值，因此為適應(yīng)這些新的應(yīng)用發(fā)展趨勢，我們必須開發(fā)新一代保護芯片。ECMF新系列保護芯片是以高性能濾波器享譽業(yè)界的意法半導(dǎo)體為滿足最新的超高速差分信號濾波和ESD保護要求而專門設(shè)計的新一代保護產(chǎn)品。

　　全新的共模濾波器

　　過去，ESD保護或EMI濾波功能以使用RC或LC解決方案為主，例如 LTTC或硅芯片。但是，數(shù)據(jù)速率更高的總線的問世，以及差分信號傳輸替代并行總線的發(fā)展趨勢，自然迫使設(shè)計人員提高整個系統(tǒng)的EMC抗干擾性，尋求新的解決方案。毋庸置疑，考慮到LC或RC濾波器是由電感或電阻與接地電容器組成，特別是內(nèi)在電容效應(yīng)本身將會影響信號的完整性，這兩類濾波器將無法適應(yīng)數(shù)據(jù)總線不斷提高速率的趨勢。因此，只要抑制電容即可避免濾波器出現(xiàn)電容效應(yīng);但是這種方法意味喪失濾波器芯片的濾波屬性。當(dāng)數(shù)據(jù)速率提高到每秒幾百兆位以上時，這種方法是一個進退維谷的問題。

　　CMF濾波器又稱共模濾波器，是解決這個進退兩難問題的好辦法，不僅支持受最高的數(shù)據(jù)速率，還是差分信號傳輸技術(shù)如USB、HDMI和MIPI的最佳保護方案。

　　保護USB2.0接口的共模濾波器

　　高速USB 2.0接口利用差分信號方法在兩條數(shù)據(jù)線上傳輸數(shù)據(jù)，最高傳輸速率達到480 Mbps。差分信號是指信號不以地線為基準(zhǔn)電壓，而是一個信號以另一個信號為基準(zhǔn)電壓。差分信號在兩條線上傳輸，每條線上的信號相位差180度，這意味著必須使用一個恰當(dāng)?shù)臑V波拓?fù)?，才能正確地濾除無用頻率，同時不會破壞目標(biāo)差分信號的完整性。

　　新款CMF濾波器讓目標(biāo)差分信號通過濾波器，但不會破壞差分信號的完整性，同時還能濾除共模信號。共模濾波器的電感特性為差分信號產(chǎn)生最大7 GHz的寬頻帶，同時為共模信號產(chǎn)生小于100 MHz的窄頻帶。

　　一個理想的共模濾波器可有選擇地抑制共模信號，同時放行差分信號，而不會對差分信號有任何影響。

　　差分模式的電流方向相反，產(chǎn)生的磁場的極性相反，磁場被相互抵消，在這種情況下，經(jīng)過CMF濾波器的信號沒有遇到任何阻抗，更談不上信號衰減問題。

　　共模信號的電流向同一個方向流動，在濾波器上產(chǎn)生一個同相磁場，兩個磁場相互疊加。結(jié)果，軛流圈對于共模信號是一個很大的阻抗，因此會降低共模信號的完整性。

　　SCC21標(biāo)準(zhǔn)描述了共模衰減的基本特性，如下圖所示:

　　USB 480 Mbps信號可產(chǎn)生240 MHz基頻。因為該信號本身是方波，我們不難估算出傳送信號所需的帶寬。利用傅利葉級數(shù)逼近算法，最后所需帶寬大約是基頻的三倍。因此，差分信號傳輸至少需要720 MHz的帶寬。從SCC21標(biāo)準(zhǔn)的共模濾波圖中不難看出，為了讓三次諧波通過濾波器，部分符合的要求的頻率被濾除。
我們對一個內(nèi)置意法半導(dǎo)體的ECMF濾波器的USB接口進行測試，從USB 480Mb/s的眼狀圖中可以看出，該接口設(shè)計100%符合USB高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，同時信號衰減度測量值在900MHz時達到30db。

　　這個原理還適用于更高速度的接口，例如，MIPI 或HDMI/MHL接口。

　　上圖顯示的測試結(jié)果與在USB 2.0上所做的測試完全相同，現(xiàn)在，我們在數(shù)據(jù)傳輸速率更高的接口如HDMI720p上再做一次測試。

　　下圖是一個MIPI接口的諧波測量結(jié)果，濾波器放行的MIPI信號的最高頻率800Mhz(200Mhz 時鐘信號的四次諧波) ，同時濾除900Mhz到 2.2Ghz的噪聲。

　　鑒于共模濾波器支持高達千兆位級(Gb/s)的數(shù)據(jù)速率，同時可抑制高達千兆赫茲(GHz)的共模噪聲，我們得出結(jié)論，共模濾波器是差分信號傳輸技術(shù)的最佳濾波解決方案。

　　MIPI和HDMI接口EMI濾波器

　　內(nèi)置ESD保護功能的濾波器

　　濾除EMI/RFI噪聲很重要，防止ESD損壞甚至損毀內(nèi)部電路同樣也很重要。顯然，前述的所有接口都安裝在外部端口內(nèi)，當(dāng)用戶插入或拔除插頭時，ESD事件很容易損壞這些接口。通常情況下，把CMF濾波器與附加的外部器件如保護型芯片配合使用，可以有效防止主芯片被擊穿，如下圖所示(15kV接觸放電電壓在芯片氧化層產(chǎn)生的熔點)。

　　意法半導(dǎo)體的新款ECMF濾波器在同一顆芯片上整合了ESD保護電路，如下圖所示：

　　像意法半導(dǎo)體的ECMF一樣，集成低電容ESD保護電路的共模濾波器能夠為高速數(shù)據(jù)接口提供完美且安全的ESD防護功能，使最終產(chǎn)品設(shè)計達到要求最嚴(yán)格的IEC61000-4-2半導(dǎo)體元器件15kV空氣放電和8kV接觸放電標(biāo)準(zhǔn)。

　　濾除和保護功能比較

　　談到ESD保護問題，有一個重要因素需要注意，當(dāng)施加靜電放電脈沖時，直接連在保護電路后面的被保護芯片不能接受過高的電壓，這個參數(shù)被稱為鉗位電壓。