集成高速串行接口的EMI濾波及ESD保護(hù)問題 - 全文

　　近年來，智能手機(jī)已經(jīng)成為整體手機(jī)市場(chǎng)中增長(zhǎng)速度最快的領(lǐng)域。對(duì)于智能手機(jī)而言，在連接顯示屏、攝像頭及數(shù)據(jù)端口I/O的接口方面，正越來越多地通過串行接口標(biāo)準(zhǔn)提供差分信令。這些串行接口標(biāo)準(zhǔn)有如移動(dòng)行業(yè)處理器接口(MIPI?)、通用串行總線(USB)、高清多媒體接口(HDMI)及移動(dòng)高清連接(MHL)等，它們支持的數(shù)據(jù)傳輸速率比傳統(tǒng)的并行接口高得多，而且減少線路數(shù)量、配合采用更高像素的攝像頭及更高分辨率的顯示屏，從而優(yōu)化用戶體驗(yàn)。此外，串行接口也支持更低工作電壓，幫助減少耗電量及延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

　　集成高速串行接口的挑戰(zhàn)

　　雖然采用高速串行接口既支持高數(shù)據(jù)率，又滿足當(dāng)代智能手機(jī)設(shè)計(jì)的空間限制，但集成串行接口也會(huì)帶來不少挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的便是電磁干擾(EMI)挑戰(zhàn)，因?yàn)槎鄺l射頻及時(shí)鐘線路與接口耦合，會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。其次，集成高速串行接口時(shí)，復(fù)雜的剛性及柔性電路板布線會(huì)影響串行接口性能。此外，需要提供高信號(hào)完整性;如果信號(hào)完整性較差，會(huì)導(dǎo)致手機(jī)通話掉線、數(shù)據(jù)傳輸中斷及用戶體驗(yàn)較差。當(dāng)然，如今智能手機(jī)中也在使用采用更精微幾何尺寸工藝制造的芯片組，而這些芯片組更易于在發(fā)生靜電放電(ESD)事件時(shí)遭受損傷。

　　現(xiàn)有EMI抑制方法及問題所在

　　由于在智能手機(jī)設(shè)計(jì)中集成高速串行接口存在上述挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員就需要采取適當(dāng)?shù)腅MI抑制及ESD保護(hù)方案。我們先來審視EMI抑制問題。

　　實(shí)際上，對(duì)于高速串行接口而言，差分信令已經(jīng)成為其事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。與使用單端信號(hào)的相同接口相比，差分信令提供更強(qiáng)的噪聲抑制。圖1左側(cè)中接收器作為基本的差分放大器，顯示了差分信令的基本優(yōu)勢(shì)。由于兩路差分信號(hào)呈180°異相，反相信號(hào)又被差分放大器反相后，兩路差分信號(hào)在放大器輸出端累加。圖1右側(cè)顯示的是差分放大器輸入相同的信號(hào)。它們稱作共模信號(hào)，因?yàn)榻邮掌鞯膬陕份斎胄盘?hào)相同。這類信號(hào)可能是手機(jī)功率放大器與數(shù)據(jù)線路通過對(duì)線路直接輻射或?qū)Φ伛詈隙a(chǎn)生的耦合導(dǎo)致的射頻(RF)干擾造成的。這時(shí)差分放大器將消減共模信號(hào)，如圖所示。

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　　圖1：差分信令示意圖

　　無源共模濾波器通過變壓器耦合電感的動(dòng)作提供類似的共模及差模特性，如圖2所示。在圖左側(cè)，輸入電流波形呈180°異相，用于傳輸差分信令。此電流與另一個(gè)線圈的感應(yīng)電流同相，故僅會(huì)這線圈的串聯(lián)阻抗削弱。圖右側(cè)顯示的是耦合電感輸入的共模或同相電流波形。

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　　圖2：共模濾波(180°異相及同相)

　　上述使用共模濾波器(CMF)的無源濾波就是一種現(xiàn)有的EMI抑制方法，使高速差分信號(hào)能夠通過濾波器，而不會(huì)影響信號(hào)完整性。差分信令衍生的共模噪聲得到衰減，防止噪聲與智能手機(jī)和無線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)及語音通信產(chǎn)生干擾。對(duì)于移動(dòng)手持設(shè)備而言，濾除蜂窩射頻工作頻率的共模噪聲尤為重要，因?yàn)楣材ｋ娏鞯妮椛鋱?chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著頻率而線性增加。因此，如果沒有恰當(dāng)濾除共模噪聲，手機(jī)中易受高頻噪聲影響的任何傳輸線路都可能是電磁干擾源。這種無源共模濾波方法明顯減輕了干擾程度，而且對(duì)信號(hào)完整性不會(huì)有重大影響，而這對(duì)智能手機(jī)的普及尤為重要。

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　　圖3：共模濾波

　　但對(duì)無源共模濾波方案而言，還是會(huì)滋生問題信號(hào)完整性?；阼F氧體及陶瓷的方案擁有相當(dāng)淺的共模噪聲衰減曲線，并不能強(qiáng)效地抑制700 MHz至2,500 MHz蜂窩射頻頻段的噪聲。不僅如此，基于鐵氧體的共模濾波器會(huì)衰減低頻噪聲，但在較高頻率時(shí)衰減噪聲能力會(huì)退化，造成蜂窩射頻頻段的噪聲污染。其次，還有機(jī)械強(qiáng)固性問題。基于鐵氧體及陶瓷的方案的構(gòu)造及封裝會(huì)使用鐵氧體或低溫共燒陶瓷(LTCC)作為構(gòu)建線圈的襯底?；谳^大鐵氧體及陶瓷構(gòu)建的方案性能最佳，但會(huì)占用大部分的電路板面積。基于較小鐵氧體的方案衰減的共模噪聲較少。此外，某些基于陶瓷或鐵氧體的方案并未在其共模濾波器陣列中集成ESD保護(hù)功能，或者使用的是基于壓敏電阻的保護(hù)方案，不能完好地保護(hù)接口及基帶或應(yīng)用處理器。

　　差分信令通常出現(xiàn)在多對(duì)線路中。以HDMI信令為例，有4條數(shù)據(jù)通道，表示有4對(duì)共模濾波器。MIPI差分信令、相機(jī)串行接口(CSI)及顯示屏串行接口(DSI)要求最少2對(duì)差分信令(1對(duì)用于傳輸數(shù)據(jù)，1對(duì)傳輸數(shù)據(jù)接口的時(shí)鐘信號(hào))。

　　基于鐵氧體或陶瓷的共模濾波器方案通過提供更大的LTCC襯底及將多對(duì)共模濾波器置于一起，解決了多對(duì)線路的共模濾波問題。增大襯底能夠適應(yīng)并排多個(gè)共模濾波器的需要，但也會(huì)帶來機(jī)械強(qiáng)固性問題。鐵氧體及LTCC襯底易碎，發(fā)生偶然墜落等事件時(shí)，可能遭受毀滅性損壞。鐵氧體或LTCC襯底也可能會(huì)出現(xiàn)破裂，損壞共模濾波器結(jié)構(gòu)的核心，致使元件不能用于EMI抑制或ESD濾波。

　　傳統(tǒng)共模濾波器在商業(yè)溫度范圍內(nèi)(特別是在+85℃時(shí))也會(huì)出現(xiàn)性能問題。溫度升高時(shí)，鐵芯飽和，阻抗增加，濾波性能發(fā)生變化。而在功率放大器工作及無線設(shè)備在蜂窩系統(tǒng)中通信時(shí)，智能手機(jī)內(nèi)部溫度可能高達(dá)+85℃。

　　基于鐵芯或陶瓷襯底的傳統(tǒng)共模濾波器的尺寸相對(duì)較大，目的單一(即共模濾波)。它們抑制EMI，但從節(jié)省空間或成本的角度而言，并不高效，而且不足以解決ESD保護(hù)問題，而ESD保護(hù)是使用最新基帶及應(yīng)用處理器的智能手機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵問題。這些器件的性價(jià)比、電路板空間/性能比并不具備吸引力。

　　集成EMI抑制及ESD保護(hù)的途徑

　　如果智能手機(jī)持續(xù)演進(jìn)，傳統(tǒng)共模濾波器就會(huì)成為束縛，這些產(chǎn)品的復(fù)雜度及能夠支持的功能就會(huì)存在局限。但有利的是，業(yè)界開發(fā)出了創(chuàng)新的半導(dǎo)體技術(shù)，使手機(jī)制造商能夠提供豐富功能的智能手機(jī)。硅濾波器的出現(xiàn)，能夠幫助智能手機(jī)設(shè)計(jì)持續(xù)進(jìn)步。安森美半導(dǎo)體率先意識(shí)到了從并行接口到串行接口的過渡，開發(fā)出了集成EMI抑制及ESD保護(hù)的串行接口硅方案產(chǎn)品線。安森美半導(dǎo)體運(yùn)用為低通濾波器產(chǎn)品開發(fā)的構(gòu)建銅鋁(copper over aluminum)電感工藝中獲得的專知，擴(kuò)展了這種工藝，創(chuàng)建出嵌入在硅襯底中的共模濾波器線圈，能夠有效地抑制共模噪聲，同時(shí)對(duì)差分信令的影響甚微，使差分信號(hào)事實(shí)上順暢無陰地通過。

　　將不同的單獨(dú)裸片共同封裝在一起，能夠?yàn)橹悄苁謾C(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供一種總體方案，提供強(qiáng)固的噪聲抑制及ESD保護(hù)能力，適用于最流行的接口，如USB、MIPI、DSI、CSI及HDMI等。后續(xù)還會(huì)衍生出將這些共模濾波器結(jié)構(gòu)構(gòu)建在極低電容ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)上的新方案，進(jìn)一步提升集成度及簡(jiǎn)化制造流程。

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　　圖4：硅共模濾波器制造流程

　　安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商，為了應(yīng)對(duì)智能手機(jī)等便攜設(shè)備高速串行接口的EMI抑制及ESD保護(hù)需求，推出了集成了ESD保護(hù)的EMI2121、EMI4182及EMI4183等新的硅共模濾波器，用于抑制噪聲及提供高信號(hào)完整性，除了適合智能手機(jī)，還可用于平板電腦、無線連接底座、數(shù)碼攝像機(jī)及機(jī)頂盒和DVD播放機(jī)等應(yīng)用。這些新的共模濾波器不同于傳統(tǒng)的EMI濾波器，乃是基于硅片制造，更適合以更深度及更高頻率抑制EMI，非基于陶瓷或鐵氧體的方案可比。這些集成ESD保護(hù)及EMI抑制功能的新器件，比競(jìng)爭(zhēng)方案節(jié)省空間多達(dá)50%，從而可以可觀的節(jié)省物料單(BOM)，且為無線手機(jī)設(shè)計(jì)人員提供了整體(turnkey)解決方案。

　　EMI2121是單對(duì)共模濾波器，EMI4182是雙對(duì)共模濾波器，EMI4183是三對(duì)共模濾波器，全都提供500 MHz時(shí)典型值15 dB的共模抑制，及500 MHz時(shí)典型值僅1.0 dB的插入損耗。它們的高差模帶寬截止頻率確保高度的信號(hào)完整性。這些器件提供集成的ESD保護(hù)，符合IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)15 kV峰值放電的保護(hù)要求。它們提供?40℃至+85℃的工作溫度范圍，每款器件都提供32 V鉗位電壓，通常優(yōu)于現(xiàn)有陶瓷方案最少30倍。

　　表1：安森美半導(dǎo)體硅共模濾波器

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　　值得一提提，將ESD保護(hù)構(gòu)建在共模濾波器襯底中并不會(huì)明顯降低信號(hào)完整性等級(jí)，能夠針對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的ESD事件提供保護(hù)。這些更高集成度器件的占位面積比基于傳統(tǒng)線圈的共模濾波器(在500 MHz及3 GHz截止頻率時(shí)共模抑制比為15 dB)小，性能相當(dāng)，但覆蓋的噪聲抑制頻率范圍要大多得。這些硅共模濾波器的關(guān)鍵特性包括智能手機(jī)手機(jī)通信頻率范圍的寬帶衰減。設(shè)計(jì)人員在始于700 MHz的頻率能夠獲得-25 dB的共模衰減，而這是LTE及4G通信的重要頻率。

　　此外，這些硅共模濾波器的ESD保護(hù)動(dòng)作非?？?，能夠提供±15 kV接觸放電的ESD保護(hù)，優(yōu)于反應(yīng)動(dòng)作更慢的壓敏電阻ESD保護(hù)方案。壓敏電阻較慢的響應(yīng)時(shí)間會(huì)使接口的電壓更高，可能損壞ESD器件旨在保護(hù)的產(chǎn)品。在0.5 mm間距的塑料封裝中，這些硅共模濾波器與最流行的接口標(biāo)準(zhǔn)兼容及匹配，能夠通過HDMI 1080p 24位全彩色信號(hào)，而不會(huì)損及信號(hào)質(zhì)量。

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　　圖5：安森美半導(dǎo)體EMI4182硅共模濾波器在HDMI 1.4環(huán)境下的信號(hào)完整性演示

　　總結(jié)

　　安森美半導(dǎo)體推出了集成共模EMI濾波和ESD保護(hù)的系列高集成度IC，如EMI2121、EMI4182及EMI4183等。與基于鐵氧體或陶瓷的共模濾波器相比，這種高集成IC在無線頻譜范圍內(nèi)為手機(jī)頻率提供更深的衰減曲線，配合智能手機(jī)及數(shù)碼相機(jī)等應(yīng)用的高帶寬連接需求，同時(shí)提升系統(tǒng)可靠性、減少元件數(shù)量及降低成本。