新一代高速差分數(shù)據(jù)傳輸EMI低通濾波器

最新的消費電子產(chǎn)品，如電視機、機頂盒或手機，都能相互連接在一起，或者至少都配備高速度數(shù)據(jù)接口。最終消費者最常用的接口是USB或 HDMI/MHL高清多媒體接口，但是還有最終消費者看不到的然而對于設計人員卻同等重要的內(nèi)部接口，例如，新出現(xiàn)的MDDI或MIPI接口，這些內(nèi)部接口用于連接電路板上不同的模塊或功能。例如，我們不能忽視手機相機傳感器或AMOLED顯示平板與手機主板的連接改用差分數(shù)據(jù)線而棄用并行數(shù)據(jù)線的發(fā)展趨勢，因為差分數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點是可以提高數(shù)據(jù)速率和顯示器分辨率 ...

顯然，這些新接口正在形成一個新的富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，同時加大了ESD和EMI現(xiàn)象對電子產(chǎn)品設計的威脅。

當然，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，因此為適應這些新的應用發(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保護要求而專門設計的新一代保護產(chǎn)品。

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)在電容效應本身將會影響信號的完整性，這兩類濾波器將無法適應數(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；但是這種方法意味喪失濾波器芯片的濾波屬性。當數(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如USB、HDMI和MIPI的最佳保護方案。

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電壓，而是一個信號以另一個信號為基準電壓。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?shù)臑V波拓撲，才能正確地濾除無用頻率，同時不會破壞目標差分信號的完整性。

新款CMF濾波器讓目標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標準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標準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，該接口設計100%符合USB高速數(shù)據(jù)傳輸標準，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的最佳濾波解決方案。

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)品設計達到要求最嚴格的IEC61000-4-2半導體元器件15kV空氣放電和8kV接觸放電標準。


談到ESD保護問題，有一個重要因素需要注意，當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。



為了評估不同的共模濾波器拓撲，測量ESD保護性能，我們圍繞鉗位電壓值，進行了幾次ESD測試。下面的圖示描述了測試過程。我們使用一支靜電槍對被測器件進行8kV接觸放電測試，同時在CMF濾波器后面連接示波儀捕捉電壓波形變化。

這種實驗方法可精確地模擬在一次ESD靜電放電事件后印刷電路板所承受的電壓值。在這些條件下，在8kV靜電放電后，輸出電壓測量值為50V，這是目前最低的鉗位電壓，因此是ECMF當前市場上最安全的CMF濾波器+TVS瞬變電壓抑制解決方案。



為使用共模濾波器獲得最佳的RFI/EMI噪聲衰減度，設計人員必須參考幾個重要參數(shù)，其中帶寬是一個至關重要的參數(shù)。這個數(shù)值是對諧波頻率的估算結(jié)果，對應濾波器準許通過的最大信號頻率。傳送1 GHz信號的三次諧波至少需要3-4 GHz的帶寬，這是避免數(shù)據(jù)完整性被破壞的一個要素。

下表是ECMF濾波器與市場上其它品牌濾波器的帶寬比較表。 我們假設帶寬是在SDD21參數(shù)的最大衰減度-3db下取得的。

解決方案1和2表明，在一個LTTC結(jié)構(gòu)內(nèi)增加變阻器，將會提高濾波器固有電容，導致帶寬降低。雖然硅技術可以提升性能，但是，通過比較解決方案3和4，我們發(fā)現(xiàn)意法半導體的單片解決的性能優(yōu)于雙片解決方案（解決方案3）。

除比較濾波性能外，我們還需比較ESD保護性能。通過測量不同解決方案的鉗位電壓值，設計人員可評估并找出最適合保護整個系統(tǒng)的達到IEC安全要求的技術和拓撲。

為了更好地評估比較內(nèi)置變阻器的LTTC濾波器的性能和在印刷電路板上外接齊納二極管的LTTC濾波器的性能，我們又做了幾項ESD測試。





紅色測量值表示外接齊納二極管的LTTC共模濾波器。在施加一次8kV接觸靜電放電脈沖后，鉗位電壓上升到250V，幾乎是內(nèi)置TVS保護二極管的硅濾波器解決方案的5倍。

藍色測量結(jié)果代表內(nèi)置變阻器的LTTC共模濾波器。因為集成在濾波器內(nèi)部，寄生電容值被降低，該濾波器的鉗位電壓較紅色測量數(shù)值明顯改進。但是，鉗位電壓上還是上升到150V，依然是意法半導體的內(nèi)置TVS保護二極管的單片共模濾波器的3倍。

便攜應用設計人員最關心的問題是減少元器件的數(shù)量，優(yōu)化印刷電路板的空間和系統(tǒng)成本。在這個方面，集成技術給設計人員帶來多個好處，促使設計人員在設計中選擇共模濾波器，從而推動新的共模濾波器發(fā)展。正前文所述，因為集成技術抑制寄生電感，使數(shù)據(jù)帶寬和衰減度都得到提升，所以，通過在一顆芯片上集成多個功能，共模濾波器的ESD和濾波性能均大幅提升。事實上，保護二極管被集成到濾波器結(jié)構(gòu)內(nèi)，有助于簡化系統(tǒng)設計，減少印刷電路板上的連接線；因此，沒有寄生電感影響濾波抑制效果和保護性能。

從優(yōu)化電路板空間角度考慮，集成技術是必選技術。內(nèi)置保護器件的共模濾波器大幅縮減印刷電路板空間，同時減少元器件的數(shù)量。下圖是一個外接兩個保護芯片（采用0402封裝的TVS二極管）的雙線LTTC共模濾波器與實現(xiàn)同一功能的意法半導體單片ECMF濾波器的比較圖。

基于LTTC濾波器的解決方案在印刷電路板上占用大約4.5mm2的空間，而ESD保護濾波二合一芯片CMF占板僅為2.8mm2，節(jié)省印刷電路板空間40%?？紤]到元器件的間隙，意法半導體解決的優(yōu)勢就更加明顯，節(jié)省空間超過50%。

此外，這個采用意法半導體的CMF濾波器的設計范例還能使元器件數(shù)量節(jié)省70%。

這個內(nèi)置保護芯片的新一代共模濾波器為設計人員帶來多重好處。除特別適合在高速差分信號應用中濾除擾動和抑制噪聲外，新產(chǎn)品還特別適合加強EMC抗干擾性能，大幅度縮減印刷電路板上的元器件數(shù)量，最終縮減印刷電路板的面積。

意法半導體的內(nèi)置ESD保護芯片的新一代CMF濾波器共有兩款產(chǎn)品：雙線 ECMF02-2AMX6 和四線ECMF04-4AMX12，這兩款產(chǎn)品都采用塑料通孔封裝，封裝面積分別為1.7mm x 1.6 mm和1.5 mm x 3.3mm。針對希望設計外觀尺寸更小的便攜產(chǎn)品設計人員，意法半導體還推出了WCSP封裝的CMF濾波器。