新型低電容EMI濾波器為手機帶來更強抗干擾性能

隨著手機中LCD及相機的視頻分辨率提高，數據工作的頻率將超過40MHz，對抑制無線EMI與ESD而言，傳統的濾波器方案已達到它們的技術極限。為適應數據速率的增加且不中斷視頻信號，設計者可以選擇本文討論的新型低電容、高濾波性能EMI濾波器。
　　
　　隨著無線市場的繼續發展，下一代手機將擁有更多的功能特性，例如帶多個彩屏(每部手機至少有兩個彩屏)以及百萬像素以上的高分辨率相機等。

　　
　　圖1：LCD模塊周圍的噪聲與ESD傳輸路徑。
　　
　　仍舊受緊湊設計趨勢的推動，實現高分辨率LCD及相機將使設計者面臨多種挑戰，其中一個主要設計考慮便是這些新模塊對電磁干擾(EMI)的敏感性。
　　
　　對于目前流行的許多手機(尤其是翻蓋型手機)來說，彩色LCD或相機CMOS傳感器通過連接在手機(上下)兩個主要部分之間的柔性或長走線PCB與基帶控制器相連。
　　
　　一方面，該連接線會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，數字信號工作于更高的頻率上，從而使該連接線會像天線一樣產生EMI/RFI或可能造成ESD危險事件。
　　
　　總之，在上述兩種情況下，所有這些EMI及ESD干擾均會破壞視頻信號的完整性，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據傳輸，可考慮實現幾種濾波器解決方案，這可通過使用分立阻容濾波器或集成的EMI濾波器來實現。

　　
　　圖2：GSM衰減頻率對應濾波電容。

　EMI及ESD噪聲抑制方法
　　
　　如果考慮到板空間、手機工作頻率上的高濾波性能以及保存信號完整性等設計約束，目前已知的解決方案正在達到其技術極限。
　　
　　分立濾波器不能為解決方案提供任何空間節省，而且還只能提供針對窄帶衰減的有限濾波性能，故大多數設計者目前都在考慮集成的EMI濾波器。
　　
　　在配有高分辨率LCD及嵌入式相機的手機中，信號是通過特定頻率(取決于分辨率)從基帶ASIC被傳送至LCD及內嵌的相機上。
　　
　　視頻分辨率越高，數據工作的頻率亦越高。迄今為止，一般數據工作在大約6至20MHz的頻率上，且分辨率的競賽還會促使相機模塊制造商繼續將此頻率提高至40-60MHz。

　　
　　圖3：新型濾波器單元結構(串聯電阻為100歐姆，線電容為17pF)。
　　
　　為適應數據速率的增加且不中斷視頻信號，設計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)必須大約為時鐘頻率的5倍。
　　
　　在目前的無線終端中，對于30至60萬像素的相機模塊來說，時鐘頻率大約介于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。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鐘頻率超過40MHz，濾波器截止頻率必須處于200MHz范圍內。因此，可預見一些濾波器解決方案正在達到它們的極限。
　　
　　表1給出了幾種濾波器電容值與截止頻率的對照，以及時鐘兼容性。這表明低電容濾波器是最適合高頻率、高速數據信號傳輸的解決方案。
　　
　　不過設計者知道，在濾波電容值與GSM/CDMA頻率上的衰減特性之間存在著無法解決的折衷問題。低電容結構會影響濾波器的高頻性能，且目前大多數低電容濾波器都不能在900MHz頻率上提供優于-25dB的衰減性能。圖2顯示了EMI濾波電容對GSM頻率衰減的影響。

　　
　　圖4：新型低電容EMI濾波器S21參數測量。

　性能改進后的低電容EMI濾波器
　　
　　為滿足以低電容濾波器實現但同時保持高濾波性能這種矛盾的要求，意法半導體公司開發出在900MHz頻率上具有高頻衰減特性并采用超低電容結構的新一代EMI濾波器。
　　
　　這些基于IPAD技術(集成有源、無源器件)的新型EMI濾波器，采用了帶集成ESD保護的標準PI濾波器結構。圖3表示一種帶串聯電阻及電容的基本濾波器單元配置。
　　
　　這種新型低電容結構用來提供200MHz范圍內的截止頻率，可支持時鐘頻率超過40MHz的數據速率。
　　
　　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的頻率范圍內衰減特性優于-35dB。
　　
　　圖4顯示采用此濾波器基本單元架構的S21參數指標。圖中顯示在900MHz頻率上具有35dB的衰減特性，這是一種通過17pF線電容集成EMI濾波器來達到的空前性能。

　　
　　圖5：分別通過高、低電容濾波器的40MHz數據傳輸測試結果比較。
　　
　　除濾波功能外，集成輸入齊納二極管還能抑制高達15kV的空中放電ESD沖擊，達到了IEC61000-4-2第4級工業標準所要求的性能水平。
　　
　　高速數據兼容性
　　
　　為了不擾亂視頻信號，新型低電容濾波器在設計時采用了經過優化的線電容值，以支持時鐘頻率高于40MHz的芯片組。
　　
　　這種結構對數據信號上升、下降沿只有很小的影響，且器件輸入、輸出間幾乎沒有什么延時。
　　
　　用最大2.8V、1ns的信號對輸入Rt(10-90%上升沿)及 Ft(10-90%下降沿)進行仿真，結果表明，由濾波器引起的延時(輸出與輸入信號之差)不超過1ns。可以肯定，即使對于高分辨率LCD或相機應用，也能完全保持數據的完整性。
　　
　　圖5顯示了工作于40MHz頻率上的3V視頻信號分別通過高、低電容濾波器的傳輸情況比較。可以發現，高電容結構所引起的延時是低電容結構的5至6倍。在這種情況下，信號輸出電壓不能被正確地接收。

　　
　　表1：截止頻率及時鐘信號兼容性對應濾波器解決方案。

　
　　高集成解決方案
　　
　　與分立設計相比，使用設計成帶層疊凸點的倒裝芯片封裝型集成EMI濾波器，可簡化PCB布局并節省高達80%的板面積。
　　
　　結果表明，線集成率(PCB面積/線數)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面積來提供EMI功能及ESD保護。
　　
　　建議該新型濾波器系列采用4、6及8條“PI”線配置來提供設計靈活性并滿足大多數高速數據線設計要求。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的SOT323塑料封裝。
　　
　　意法半導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接有齊納二極管的RC濾波網絡。100歐姆的串聯電阻與17pF的線電容值被用來達到在0.8MHz至2GHz范圍內最小30dB的衰減。器件的低電容意味著它們能被用于下一代時鐘頻率超過40MHz的LCD顯示器及相機傳感器。