新一代手機(jī)中的EMC和ESD保護(hù)問題

因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/手機(jī)">手機(jī)還有空間的限制因素，所以USB2.0的三條線路ESD防護(hù)不得超過SOT666封裝尺寸。USB2.0專用ESD防護(hù)電路見圖3。

圖3：USB2.0保護(hù)拓?fù)?p>圖3所示的軌對(duì)軌保護(hù)概念是效率最高的高速數(shù)據(jù)線路ESD防護(hù)概念，是速率每秒480Mbits高速串行線路的最佳折衷方案，它兼顧了數(shù)據(jù)完整性、信號(hào)均衡性、低功耗和最嚴(yán)格的ESD標(biāo)準(zhǔn)。

手機(jī)EMI抗干擾功能

在某情況下，ESD問題并不是工程師要解決的唯一問題。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/手機(jī)">手機(jī)發(fā)射和傳送RF信號(hào)時(shí)，很多電子組件受到RF輻射，因此，必須抑制RF輻射以保護(hù)正常的工作。甚至在某些情況下，某些IC自己也會(huì)產(chǎn)生RF輻射以及射頻干擾。

基本上，很多接口都會(huì)容易受到GSM脈沖的攻擊，如音頻線路或LCD或相機(jī)模塊，產(chǎn)生能夠聽見的噪聲或可以看見的屏幕抖動(dòng)。這就是在設(shè)計(jì)手機(jī)時(shí)強(qiáng)烈推薦EMI濾波器的原因。

在某種意義上，EMI輻射抑制已成為下一代手機(jī)如多頻手機(jī)或3G手機(jī)的關(guān)鍵問題，因?yàn)楝F(xiàn)有解決方案即將達(dá)到技術(shù)極限。

采用分立的電阻和電容的單一阻容PI型濾波器設(shè)計(jì)不再是節(jié)省空間的解決方案。此外，因?yàn)樗p帶寬很窄，阻容濾波器的濾波性能極差。對(duì)于空間限制極嚴(yán)，工作頻率擴(kuò)大幾個(gè)頻段的多頻手機(jī)和3G手機(jī)，這類濾波器的缺陷明顯。

設(shè)計(jì)師開始關(guān)注衰減大和衰減頻帶寬的低通濾波器，以硅為材料的集成EMI濾波器是適合所有這些需求的濾波器，它表現(xiàn)出極寬的衰減范圍，從800MHz到 2GHz或3GHz，S21參數(shù)超過30db等。同時(shí)，這些濾波器可針對(duì)高速數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)低寄生電容結(jié)構(gòu)和超小的PCB空間。

硅EMI濾波器：LC型還是RC型?

對(duì)上文提及的兩種技術(shù)的純?yōu)V波性能進(jìn)行對(duì)比，在某種意義上我們看見相似的濾波特性，兩種結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出極寬的抑制頻帶。這些主要特性的取得歸功于能夠最大限度降低濾波器(無論是RC還是LC型)的寄生電感的集成概念。

然后，LC濾波器能夠優(yōu)化低頻的插入損耗。與RC濾波器相比，濾波特性在技術(shù)規(guī)格中確實(shí)存在明顯的差別。但是考慮到特性曲線是在50Ω環(huán)境中測(cè)量到的，設(shè)計(jì)師可能注意到，在應(yīng)用條件下，因?yàn)槎鄶?shù)IC是高阻抗元器件，RC濾波器的串聯(lián)電阻或LC濾波器的串聯(lián)電感對(duì)插入損耗的影響可忽略不計(jì)。因此，即使在濾波器技術(shù)規(guī)格中看到插入損耗的差異，這個(gè)差異也不真地適合應(yīng)用條件。

盡管如此，我們可以使RC或LC濾波器信號(hào)傳輸能力實(shí)現(xiàn)差異化。特別是在高頻下，LC濾波器可能具有RC濾波器絕對(duì)沒有的某些振蕩效應(yīng)。這些寄生振蕩可能會(huì)干擾信號(hào)甚至?xí)a(chǎn)生比RC濾波器更長(zhǎng)的延遲時(shí)間。圖4所示是通過硅LC濾波器進(jìn)行的信號(hào)傳輸測(cè)試，從圖中可以看到振蕩效果。

最后，EMI濾波器是使用硅RC還是LC，兩者之間沒有明顯的性能差異，因?yàn)樗鼈兊奶匦栽趯?shí)際應(yīng)用中基本相同，低阻抗環(huán)境除外。順便提及一下，考慮到現(xiàn)有的硅技術(shù)，電阻的集成密度比電感器高出很多。因此，LC濾波器的制造成本高于RC濾波器。

現(xiàn)在讓我們對(duì)比無源LC濾波器和硅RC濾波器，大家熟知的兩者之間的差異是，無源技術(shù)基于集成變阻器(而硅濾波器集成的是二極管)。因此，這種濾波器不如硅RC濾波器耐用，同時(shí)過濾特性類似于分立電容器，這意味著抑制頻帶尖而窄，不能為新一代多頻手機(jī)100%優(yōu)化。

濾波器的RC耦合是設(shè)計(jì)人員必須精心選擇的首要特性，本質(zhì)上說，應(yīng)用的信號(hào)傳輸速度越快，濾波器線路的總電容就應(yīng)該越小。

因此，對(duì)于UART、RS232或音頻線路，標(biāo)準(zhǔn)電容在幾百個(gè)pF范圍內(nèi)的EMI濾波器足以確保優(yōu)秀的濾波性能和最小的信號(hào)干擾。

對(duì)于高速接口像LCD或CMOS傳感器，濾波器的寄生電容對(duì)視頻信號(hào)完整性的影響很大，所以電容值必須降到最低限度，幾十個(gè)兆赫茲的頻率，電容必須小于20pF。

這又帶來了新的問題，因?yàn)闉V波器的濾波性能會(huì)因?yàn)楸旧黼娙葑冃《档汀?p>因?yàn)樽罱陌雽?dǎo)體設(shè)計(jì)，現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了超低電容EMI濾波器結(jié)構(gòu)，以及超高衰減量、寬帶抑制和符合IEC61000-4-2第4級(jí)的ESD保護(hù)功能。意法半導(dǎo)體是市場(chǎng)上率先推出電容超低、抑制帶寬極大并符合IEC61000-4-2第4級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)的濾波器結(jié)構(gòu)，EMIF08-VID01F2在 800MHz到3GHz頻帶內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)30dB以上的衰減抑制，同時(shí)在3V工作電壓時(shí)其線電容只有17pF。

要想取得最佳的濾波性能，除考慮硅產(chǎn)品本身的特性外，還要考慮組件的封裝和布局，這就是大多數(shù)基于硅的EMI濾波器采用400um管腳間距的倒裝片封裝或microQFN封裝的原因。微型封裝的主要優(yōu)勢(shì)之處是寄生電感影響小，從而最大限度地提高了高頻下的衰減特性;其次微型封裝尺寸小，有助產(chǎn)品的微型化趨勢(shì)。

400um管腳間距還可簡(jiǎn)化和最小化濾波器與I/O連接端子之間的布局連接，因此，使用管腳間距較小的新封裝有助于提高PCB+布局+濾波器的系統(tǒng)整體性能。圖5所示是ST的一個(gè)超小濾波器的簡(jiǎn)圖。

與分立的電容和電阻占用的PCB電路板空間相比，像EMIF08這樣的倒裝片和mQFN封裝的硅濾波器可節(jié)省PCB空間近70%，將組件數(shù)量從18個(gè)減少到1個(gè)，同時(shí)還能維持或降低應(yīng)用的整體成本。

最后，RC硅濾波器是一個(gè)具有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案，其過濾性能、ESD保護(hù)和PCB空間占用超過了分立解決方案。除單純的性能對(duì)比外，集成解決方案更適合新一代手機(jī)對(duì)寬衰減帶寬和高密度集成電路板的需求。

本文小結(jié)

在手機(jī)設(shè)計(jì)的初始階段，ESD和EMI問題變得越來越突出，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇專門的方法來解決ESD和EMI問題。雖然保護(hù)組件本身的性能十分關(guān)鍵，但是布局考慮也有助于提高系統(tǒng)的整體防護(hù)性能。