保護(hù)和過(guò)濾無(wú)線頻率下的數(shù)據(jù)線

USB Type-C帶來(lái)了許多機(jī)遇，但也不乏挑戰(zhàn)。其中一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何避免在千兆赫范圍內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)線EMI問(wèn)題。

這款全新USB Type-C連接器帶來(lái)了許多新機(jī)遇，但也不乏新的挑戰(zhàn)。

我們來(lái)詳細(xì)了解共模濾波器(CMF)如何避免在千兆赫范圍內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)線EMI問(wèn)題，包括：

在需要更換保護(hù)和濾波或者只需要更換保護(hù)時(shí)，如何為USB3.1和HDMI2.0提供CMF，且無(wú)需耗時(shí)的重新設(shè)計(jì)。

如何選擇CMF，同時(shí)仍然確保傳輸極快的信號(hào)，如USB3.1和HDMI2.0。

其他ESD保護(hù)如何降低獨(dú)立CMF的信號(hào)完整性。

如何選擇CMF用于抑制大多數(shù)關(guān)鍵頻率的共模噪聲。

如何有效保護(hù)超快數(shù)據(jù)線的極敏感收發(fā)器免受ESD影響。

若要復(fù)制移動(dòng)應(yīng)用上的內(nèi)容，如較大視頻，消費(fèi)者期望USB連接器能夠提供更高的數(shù)據(jù)速率。因此，行業(yè)開(kāi)始采用全新USB Type-C連接器也支持的USB3.1。

但是，在WiFi、藍(lán)牙和LTE等相同頻率范圍內(nèi)使用無(wú)線傳輸?shù)沫h(huán)境中移動(dòng)2.5或5 GHz基頻數(shù)據(jù)線，這些頻段之間會(huì)發(fā)生干擾，如英特爾白皮書(shū)中的報(bào)告所述。

而USB Type-C連接器為便攜式設(shè)備連接開(kāi)創(chuàng)了新的機(jī)遇。與此同時(shí)，選項(xiàng)的數(shù)量也會(huì)增加此接口應(yīng)用的復(fù)雜性。需要使用新的解決方案來(lái)降低復(fù)雜性，以便加快上市時(shí)間。

進(jìn)一步了解USB3.1，USB Type-C連接器還可以將超高速USB集成到智能手機(jī)或平板電腦等便攜式應(yīng)用中，這一點(diǎn)極具吸引力。它還能夠在相同接口上傳輸高速視頻/音頻數(shù)據(jù)。

這時(shí)，超高速USB在2.5和5 GHz頻率存在較強(qiáng)的基波信號(hào)，就會(huì)將其他噪聲源集成到緊湊的應(yīng)用中。CMF是消除不需要的共模噪聲，避免在WiFi、LTE和藍(lán)牙等相同頻率的基本和無(wú)線數(shù)據(jù)頻段之間造成干擾，且不傳輸差分信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)方法。

如今，所有設(shè)計(jì)師都喜歡盡量減少材料元件。那么顯然就出現(xiàn)了一個(gè)問(wèn)題，具體設(shè)計(jì)中是否需要CMF。理想情況下，帶CMF的組合與不帶CMF的組合沒(méi)什么不同，因?yàn)樵O(shè)計(jì)階段很難預(yù)測(cè)EMI問(wèn)題。除非采用不會(huì)干擾信號(hào)路徑的標(biāo)準(zhǔn)ESD保護(hù)，未組裝時(shí)，CMF的引腳會(huì)干擾信號(hào)線。如果不需要濾波器，則需要使用具有一流RF數(shù)據(jù)功能的“插件”來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)差距?；蛘?，電路板需要一個(gè)新的設(shè)計(jì)周期來(lái)彌補(bǔ)差距。

自2009年以來(lái)，Nexperia一直是USB3.x的ESD保護(hù)產(chǎn)品的主要供應(yīng)商之一。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，USB3的收發(fā)器對(duì)ESD脈沖非常敏感，需要極低的鉗位ESD保護(hù)。因此，幾乎很自然地要將最新一代極低鉗位ESD保護(hù)，即TrEOS保護(hù)集成到這個(gè)“插件”中，從而取代CMF。TrEOS保護(hù)通常也用于集成CMF。通過(guò)選擇帶ESD保護(hù)的CMF和在相同引腳尺寸僅使用ESD保護(hù)，可以讓第一個(gè)電路板設(shè)計(jì)就成為最終的設(shè)計(jì)——至少保護(hù)和濾波器件就是如此。我們甚至還能在相同平臺(tái)上為一些市場(chǎng)提供CMF，而另一些市場(chǎng)則不提供CMF，并且無(wú)需耗時(shí)的重新設(shè)計(jì)。甚至還能在上市之后添加CMF選項(xiàng)。

選擇針對(duì)USB3.1的CMF時(shí)，我們選擇PCMFxUSB3S（保護(hù)和共模濾波，“x”代表差分線對(duì)的數(shù)量），而相同引腳尺寸的ESD保護(hù)則命名為PESDxUSB3S。

圖1.Nexperia提供帶ESD保護(hù)的CMF（左側(cè)，PCMF系列）和相同引腳尺寸的ESD保護(hù)（右側(cè)，PESD系列），允許在不用重新設(shè)計(jì)電路板的情況下迅速變更PCMF和PESD。

但是，將CMF與ESD保護(hù)組合到單個(gè)設(shè)備中并沒(méi)有明顯的原因?？纯磫为?dú)的ESD保護(hù)設(shè)備和單獨(dú)的CMG（沒(méi)有充分的低鉗位ESD保護(hù)），二者獨(dú)自都能夠?yàn)椴罘中盘?hào)提供充分的完整性，將單獨(dú)的CMF和ESD保護(hù)組合則不再能提供信號(hào)完整性。

測(cè)量帶寬限制的一種方法就是頻率，與低頻信號(hào)相比，差分信號(hào)會(huì)衰減3 dB。log10范圍的-10 dB衰減表示信號(hào)功率強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)（或1/10），衰減為-20 dB 1/100，以此類推。

輸入和輸出信號(hào)的比率顯示為分散或短散射參數(shù)，其中S21顯示端口2和端口1之間的信號(hào)傳輸，S21dd表示差分輸入、差分輸出。

圖2.S21dd是輸入與輸出差分信號(hào)的比率，與頻率有關(guān)。此頻率的信號(hào)按3 dB衰減，這是差分通帶的頻率限值。曲線圖顯示，當(dāng)添加ESD保護(hù)擁有14 GHz或7 GHz的通帶時(shí)，不含ESD保護(hù)且基于鐵氧體的CMF衰減，以及相同的濾波器。3dB頻率從6.3 GHz遞減至4.9 GHz或4 GHz。比較CMF的RF特性時(shí)，必需比較完整性能。

看個(gè)示例，ESD保護(hù)擁有14 GHz差分通帶，CMF擁有6.3 GHz的差分通帶，我們發(fā)現(xiàn)，將這兩者組合只能得到4.9 GHz的通帶。所以，比較完整解決方案（包括ESD保護(hù)）的性能至關(guān)重要。相比這下，對(duì)于帶ESD保護(hù)的集成CMF，即PCMFxUSB3S時(shí)，若將CMF和ESD保護(hù)兩種功能組合，仍然可以提供6.5 GHz的典型通帶。

圖3.帶ESD保護(hù)的集成CMF(PCMF3USB3S)的差分通帶，對(duì)于引腳1-2和引腳5-6處的線對(duì)情況比較。這些線對(duì)高度對(duì)稱，有助于避免數(shù)據(jù)扭曲。

考慮到所需的ESD保護(hù)時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)PCMFxUSB3S能夠提供無(wú)與倫比的差分通帶。此外，高度對(duì)稱還可避免單線路和線對(duì)之間的運(yùn)行時(shí)間差異，從而避免造成數(shù)據(jù)扭曲。數(shù)據(jù)扭曲會(huì)關(guān)閉時(shí)間軸上的眼圖。

圖4.眼圖會(huì)覆蓋所有潛在的1-0和0-1信號(hào)轉(zhuǎn)換（左側(cè)）。任何轉(zhuǎn)換都不得違反掩碼（右側(cè)），以便為接收器提供可接受的最低信號(hào)完整性。

圖4中顯示了一個(gè)實(shí)際事例，其中對(duì)比了10 Gbps時(shí)的PCMF2USB3S眼圖（USB3.1最高速度水平）與不含測(cè)試設(shè)備的參考電路板(DUT)

圖5.在測(cè)試電路板上比較PCMF2USB3S在10 Gbit/s時(shí)的USB3.1眼圖。

在外部實(shí)驗(yàn)室使用我們的測(cè)試板，PCMF2USB3S在10 Gbit/s條件下通過(guò)了USB3.1標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。由于這些速度水平的數(shù)據(jù)速率明顯需要精心設(shè)計(jì)RF，Nexperia能夠和您分享全新USB Type-C連接器的布局示例。

HDMI標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)音頻/視頻數(shù)據(jù)采用8個(gè)高速差分TMDS線。轉(zhuǎn)換到HDMI2.0時(shí)，許多設(shè)計(jì)工程師將會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)：消費(fèi)者仍會(huì)保留購(gòu)買的HDMI1.4數(shù)據(jù)速率電纜。因此，HDMI接收器不需要擁有更高品質(zhì)的電纜，而是要能在測(cè)試點(diǎn)2 (TP2)處理由于糟糕的電纜型號(hào)和其他數(shù)據(jù)扭曲變形的信號(hào)。

圖6.傳統(tǒng)HDMI眼圖是在測(cè)試點(diǎn)1 (Tp1)測(cè)得，另一個(gè)“最差電纜仿真器”和其他偏斜則添加到測(cè)試點(diǎn)2 (TP2)，以反映HDMI2.0數(shù)據(jù)速率對(duì)HDMI1.4電纜的使用情況。

TP2上的其他眼仍然不得違反掩碼：

圖7.測(cè)試電路板上PCMF2HDMI2S帶“最差電纜仿真器”（上圖）和其他偏斜在測(cè)試點(diǎn)2 (TP2)測(cè)得的眼圖，以及測(cè)試電路板上不含測(cè)試設(shè)備(DUT)的參考眼圖（下圖）。盡管眼圖看起來(lái)似乎有點(diǎn)陌生，但這卻是很好的“通帶”結(jié)果。TP1熟悉的眼圖看起來(lái)明顯更加美觀，并且可以在PCMFxHDMI2S的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。

將CMF和ESD保護(hù)集成到一個(gè)設(shè)備的另一個(gè)原因，就是信號(hào)線對(duì)上的任何阻抗干擾都將影響一部分信號(hào)。如果信號(hào)路徑中發(fā)生嚴(yán)重干擾，那么就會(huì)造成多重相互干擾的反射、嚴(yán)重?fù)p害信號(hào)完整性，會(huì)關(guān)閉眼圖。一些數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如HDMI標(biāo)準(zhǔn)的TMDS線，會(huì)限制數(shù)據(jù)線阻抗中發(fā)生此類阻抗偏差的次數(shù)和數(shù)量。

信號(hào)路徑上的阻抗變化會(huì)通過(guò)時(shí)域反射(TDR)測(cè)量顯示，其中信號(hào)的運(yùn)行時(shí)間與信號(hào)路徑的距離成一定比例。對(duì)于USB3.1，差分阻抗應(yīng)該為90 歐姆，HDMI TMDS的差分阻抗為100 歐姆。如果信號(hào)路徑的其他部分增加更多電容性負(fù)載，則信號(hào)會(huì)將本地阻抗降到目標(biāo)值以下；如果其他部分增加更多電感性負(fù)載，那么本地阻抗將在目標(biāo)值以上。任何阻抗偏差，無(wú)論是電容性阻抗還是電感性阻抗，都將引發(fā)這些信號(hào)反射。

圖8中包含一個(gè)示例，其中顯示了兩個(gè)帶ESD保護(hù)的不同集成式CMF在一段運(yùn)行時(shí)間（距離）的阻抗差異。例如，圖中顯示了不帶測(cè)試設(shè)備(DUT)的測(cè)試電路板的阻抗。一個(gè)設(shè)備PCMFxHDMI2S顯示對(duì)應(yīng)帶極低電容的單獨(dú)ESD保護(hù)設(shè)備存在阻抗下降，另一個(gè)集成式CMF則顯示存在違背HDMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值的電感行為。

圖8.兩個(gè)使用200 ps濾波器（符合HDMI標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行ESD保護(hù)的集成式共模濾波器的TDR（時(shí)域反射）測(cè)量。阻抗Z可隨運(yùn)行時(shí)間（距離）進(jìn)行測(cè)量。PCMF濾波器明顯位于HDMI標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的限值以內(nèi)，而比較濾波器則太過(guò)電感性而無(wú)法通過(guò)此測(cè)試。這兩款濾波器與不帶濾波器的參考電路板（無(wú)干擾傳輸線路）進(jìn)行比較。由于電路板位置和設(shè)備大小不同，所以時(shí)間范圍也不盡相同。

由于全新Type-C連接器支持發(fā)送功能，例如通過(guò)USB3.1接口發(fā)送HDMI數(shù)據(jù)，所以用于此接口的設(shè)備能夠符合幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的要求就顯得尤為重要了。但即便是不需要遵守HDMI標(biāo)準(zhǔn)，最大程度降低設(shè)備阻抗的影響也會(huì)最大程度減少反射，并針對(duì)所有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)提供良好的信號(hào)完整性。

第一部分總結(jié)：在信號(hào)完整性方面，必須選擇廣泛差分通帶解決方案確保信號(hào)傳輸，并比較組合CMF和ESD保護(hù)的完整解決方案。

由于選擇CMF用于抑制不需要的噪聲，所以共模抑制顯然也是一個(gè)重要參數(shù)。在S21cc中，共模抑制也歸為一種頻率散射參數(shù)。同樣，-10 dB的衰減將意味著共模噪聲頻率低一個(gè)數(shù)量級(jí)(1/10)。

圖9.比較PCMFxUSB3S與圖1中所示USB3.1鐵氧體濾波器的共模抑制。由于需要避免2.5 GHz時(shí)USB3.1 5 Gbps基波與WiFi、藍(lán)牙和LTE-頻段之間的干擾，所以此頻率范圍內(nèi)的強(qiáng)大抑制功能顯得尤其重要。2.5 GHz左右的PCMFxUSB3S抑制明顯超過(guò)-30 dB（不到共模功率的1/1000），并能在700 MHz和10 GHz之間提供高一個(gè)數(shù)量級(jí)的功率抑制，覆蓋所有帶寬帶共模抑制的GSM/3G/LTE/WiFi/GPS/藍(lán)牙頻率。

選擇共模濾波器時(shí)，應(yīng)該關(guān)注針對(duì)基波以及需要相互隔離的無(wú)線和有線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的更高諧波的強(qiáng)大共模抑制功能。對(duì)于5 Gbps時(shí)的USB3.1，2.5 GHz時(shí)的基波處于擁擠的無(wú)線頻段（LTE、WiFi、藍(lán)牙）的中間，在此區(qū)域需要超強(qiáng)抑制功能。對(duì)于HDMI2.0，1.7至3 GHz的頻率最為關(guān)鍵。與此同時(shí)，共模抑制還應(yīng)該擁有足夠?qū)挼膸挘瑥亩种撇伙@眼的頻率范圍內(nèi)的潛在噪聲問(wèn)題。

迄今為止，我們已經(jīng)解決了如何確定信號(hào)完整性和共模噪聲抑制的問(wèn)題。但是，ESD脈沖鉗位在保護(hù)敏感收發(fā)器時(shí)的效果如何？

看看極快信號(hào)的收發(fā)器，如USB3.1，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的ESD生存水平不是由ESD保護(hù)設(shè)備的耐受性定義的，而是由鉗位行為定義的。就是說(shuō)，ESD保護(hù)設(shè)備傳輸多少剩余ESD呢？這是我們目前得到的所有收發(fā)器的情況。盡管如此，我們的PCMF/PESD系列可耐受15 kV觸點(diǎn)的IEC 61000-4-2 ESD脈沖，后者超過(guò)了此IEC標(biāo)準(zhǔn)的最高水平4。PCMFxUSB3S和PCMFxHDMI2S以及PESDxUSB3S全都建立在Nexperia的TrEOS保護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，其中結(jié)合了行業(yè)領(lǐng)先的開(kāi)關(guān)速度(0.5 ns)、最低動(dòng)態(tài)阻抗以及針對(duì)8/20浪涌及ESD脈沖的高耐受性。

這些全新CMF在保護(hù)極敏感收發(fā)器方面的效果如何？我們嘗試將PCMFxUSB3S結(jié)合目前最敏感的USB3.1收發(fā)器使用，確認(rèn)此組合在幾個(gè)通道中的耐用水平已經(jīng)超過(guò)了15 kV IEC 61000-4-2。除了高效處理共模問(wèn)題，在處理USB3.1頻率同時(shí)還保護(hù)極敏感的收發(fā)器免遭ESD影響方面，PCMF是迄今為止（2016年4月）最有效的解決方案。

一些基于鐵氧體/陶瓷的CMF可提供集成ESD保護(hù)功能；由于他們具備幾百伏的鉗位電壓，所以不會(huì)為敏感的收發(fā)器芯片提供額外保護(hù)。圖9顯示了集成ESD保護(hù)的陶瓷/鐵氧體濾波器與更早的PCMF流程生成的對(duì)比情況。

圖10比較了帶硅基ESD保護(hù)的集成CMF與帶集成ESD保護(hù)的鐵氧體CMF的TLP鉗位。PCMFxUSB3S、PCMFxHDMI2S和PESDxUSB3S提供更低的鉗位電壓，但是，在需要顯示鐵氧體基ESD保護(hù)的TLP行為的范圍內(nèi)，這可能會(huì)丟失。

既然鐵氧體在ESD鉗位方面明顯不具備競(jìng)爭(zhēng)力，那么PCMFxUSB3S系列與帶硅基ESD保護(hù)的其他CMF比較如何呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，相比所有其他共模濾波器，PCMFxUSB3S能夠提供最低的鉗位電壓。

圖11.比較PCMF系列與集成ESD保護(hù)的其他CMF的TLP鉗位。

總之，查看極快數(shù)據(jù)線的保護(hù)和濾波時(shí)，我們可以明確這些要點(diǎn)：

差分信號(hào)必須要能傳達(dá)保護(hù)和濾波解決方案，如差分通帶和眼圖所示，這還需要通過(guò)合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

在單獨(dú)CMF中增加其他ESD保護(hù)功能會(huì)明顯弱化系統(tǒng)性能，即便兩個(gè)設(shè)備各自都展現(xiàn)出一流的RF性能時(shí)也是如此。

USB3.1在2.5和5 GHz等關(guān)鍵頻率下的共模抑制必須非常高。

ESD鉗位必須非常低。

最終，系統(tǒng)必須要能交換使用帶ESD保護(hù)的CMF與僅含ESD保護(hù)的CMF，避免重新設(shè)計(jì)并支持更短上市時(shí)間。

審核編輯：郭婷