集成EMI滤波及ESD保护

2万 · 2014-7-5 23:14

　　如今的手机等便携设备的尺寸日趋小巧纤薄，同时又在集成越来越多的新功能或新特性，如大尺寸显示屏、高分辨率相机模块、高速数据接口、互联网接入、电视接收等，让便携设备的数据率及时钟频率越来越高。这样，便携设备面临着诸多潜在的电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)源的风险，如开关负载、电源电压波动、短路、电感开关、雷电、开关电源、RF放大器和功率放大器、带状线缆与视频显示屏的互连及时钟信号的高频噪声等。因此，设计人员需要针对音频插孔/耳机、USB端口、扬声器、键盘、麦克风、相机、显示屏互连等多个位置，为便携设备选择适合的EMI/RFI滤波方案。

　　常见EMI/RFI滤波器类型及滤波要求

　　对于EMI/RFI滤波器而言，从架构上看，最常见的架构是“Pi”滤波器，顾名思义，这种架构类似于希腊字母“π”。常见的π型滤波器有两种，分别是C-R-C(电容-电阻-电容)滤波器和C-L-C(电容-电感-电容)滤波器。其中，C-R-C滤波器(见图1a)也称RC-π型滤波器或π型RC滤波器，用于音频及低速数据滤波应用；C-L-C滤波器(见图1b)也称作LC-π型滤波器或π型LC滤波器，用于音频、低速及高速数据滤波应用。

　　π型滤波器还有一种扩展类型，即形状象梯子的梯形滤波器，其中最常见的是LC(电感电容)梯形滤波器(见图1c)，这种滤波器承受更高的数据率，但在滤波元件(电感或电容)增多时，尺寸和成本会成为问题，导致物料成本更高、封装更大。

图1：常见EMI/RFI滤波器类型的结构示意图：a) π型RC；b) π型LC；c) LC梯形。

　　这几种类型的EMI/RFI滤波器中，从频幅响应比较来看，π型RC滤波器的跃迁带(transition band)最宽，转折率(rolloff)最低；π型LC滤波器的转折率较低，但跃迁带适中；梯形滤波器则能实现极高的转折率及较窄的跃迁带宽。

2万 · 2014-7-5 23:14

　　就EMI/RFI滤波而言，以手机应用为例，传统上的一个基准频率是800 MHz，因为800 MHz接近手机所用频段的起始频率。大多数情况下，手机设计工程师要求在800 MHz以上频率进行滤波，这一般意味着最低30 dB的信号衰减。随着手机中功能的增多以及时钟与数据信号的分类，基准频率正在降低。许多便携电子产品制造商要求在400 MHz频率进行EMI/RFI滤波，未来可能还会要求在更低频率下进行EMI/RFI滤波。

　　集成EMI滤波与ESD保护

　　在便携产品中，滤波器一般位于邻近连接端口、麦克风和扬声器的位置。而恰好这些位置也可能面临静电放电(ESD)事件。以音频线路为例，如果采用分立元件方案来分别进行EMI滤波和ESD保护，就面临着执行这两项功能所需要的元器件数量问题。其中，就EMI滤波器而言，如果使用1个分立的π型LC滤波器，就需要2个表面贴装电容和1个表面贴装电感。为了提供ESD保护，还需要额外增加某种类型的表面贴装瞬态电压抑制器(TVS)二极管。这样，1条音频线路的EMI滤波和ESD保护就需要4个独立元件，这里还未提及这些元件所需占用的便携设弥足珍贵的空间问题。如果不止1条音频线路，那采用分立元件方案就更不切实际了。

　　因此，最简单的方案就是在同一个元件中集成EMI滤波与ESD保护功能。首先，集成方案中的集成型TVS二极管也提供EMI滤波所需的电容；其次，改进工艺技术也可大幅提升集成型电感的质量。通过将这些集成型元器件集成到硅片上，原来需要多个独立元件的方案，就可以采用集成型EMI滤波+ESD保护方案(参见图2)。

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图2：集成型EMI滤波+ESD保护方案：a) π型RC；b) π型LC；c) LC梯形

　　其中，在ESD保护等级方面，IEC61000-4-2标准详细规定了系统级测试条件及保护等级，这等级分为4种，便携应用通常需要的是第4级保护，即在8 kV接触放电或15 kV空气放电IEC61000-4-2测试条件下，便携设备需要能够承受住ESD事件冲击。

　　总的来说，通过高性价比地集成EMI滤波与ESD保护，便携应用设计人员可以降低成本，减少物料单(BOM)元件数量，并减小电路板占用空间。

2万 · 2014-7-5 23:14

　　针对便携设备具体应用的EMI滤波+ESD保护方案

　　在便携设备市场，手机占据重要位置。自然地，手机中诸多位置都会应用到集成ESD保护的滤波器。就手机应用而言，常用的滤波器除了LC和RC滤波器，还有共模扼流圈EMI滤波器，这种滤波器帮助减少寄生电感，提供更出色的共模滤波。这些手机滤波器的类型带宽频谱见图3。

图3：手机滤波器类型带宽频谱。

　　不同的手机应用需要采用不同的滤波器。一般而言，应用的数据率越高，滤波器线路的总电容就要越小。对于音频线路等数据率相对较低的手机应用而言，EMI滤波器的标准电容在几百个pF范围内，就足以提供优秀的滤波性能和最小的信号干扰。

2万 · 2014-7-5 23:15

　　其中，在扬声器、麦克风、音频插孔/耳机等音频应用中，可以选用LC或RC类型的滤波器，如安森美半导体的NUF2441FCT1G、NUF2450MUT1G、NUF2114MNT1G、NUF2116MNT1G和NUF4220MNT1G等，这些滤波器均集成了ESD保护功能，保护2条至4条音频线路，二极管电容在数十pF到240 pF之间。以NUF2441FC为例，这LC滤波器为2条音频线路提供EMI滤波与IEC61000-4-2第4级 ESD保护功能，采用倒装芯片(flip-chip)封装，以单颗IC替代2颗电感、4颗电容再加4颗TVS二极管，帮助节省成本及减小电路板占用空间。NUF2450MUT1G也是一款双线式LC型EMI滤波及ESD保护器件，在800 MHz至5.0 GHz频率范围下提供大于-30 dB的衰减；这器件采用节省空间的uDFN 1.2×1.8×0.5 mm的超小封装，提供20 MHz的截止频率与极小的线路阻抗，非常适合需要低带通衰减的音频应用。NUF2114MNT1G则是一款双线式RC型EMI滤波及ESD保护器件，采用DFN8封装，在900 MHz至3.0 GHz频率下提供大于-30 dB的衰减，同样以单颗IC替代多达10颗分立元件，帮助降低成本及节省空间。

　　在手机应用中，显示屏和相机等数据线路的带宽比音频更高，可以采用RC滤波器，如安森美半导体采用uDFN封装的NUF40xx、NUF60xx和NUF80xx等系列器件。此外，安森美半导体还为数据线路滤波应用推出采用极小型WDFN/uDFN封装的X3系列RC滤波器，包括NUF4310MN和NUF4110MN。这新系列的4通道RC滤波器在2.5 V电压时的线路电容仅为17 pF，集成了40个分立元件，提供极小占位面积(1.0×1.4×0.75 mm/1.0×1.6×0.75 mm)、极低阻抗(100 Ω)和业界领先的ESD保护(IEC61000-4-2第4级)，支持高达120 Mbps带宽，适合手机、移动互连设备(MID)、便携式媒体播放器(PMP)、数码相机、膝上型电脑或上网本等便携产品的高分辨率相机模块和显示屏等应用。

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　在上述手机高分辨率显示屏和相机接口等数据应用中，还可以采用高速LC滤波器，如安森美半导体的NUF2900MN。与传统RC滤波器相比，高速LC滤波器的截止频率更高、宽频衰减更大、插入损耗更低。如NUF2900MN的典型截止频率为350 MHz，在800 MHz至6.0 GHz频率时提供大于-30 dB的衰减，插入损耗性能也更具优势，参见图4。

图4：典型RC EMI滤波器与高速LC EMI滤波器(NUF2900)的响应性能比较。

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　　值得一提的是，手机中的高带宽应用越来越多，显示屏尺寸更大且分辨率更高，而且空间受限，推动并行数据转向串行数据，解决方案就是采用低压差分信令(LVDS)来串行MDDI、MPPI、USB 2.0和uSerDes等数据，相应地采用共模扼流圈(CMC) EMI/RFI滤波器，通过高带宽差分信号，同时滤除不需要的共模EMI/RFI信号。在这方面，可以采用安森美半导体的NUC2401MN高速串行数据滤波器。这是业界首款集成超低电容(0.8 pF) ESD保护和共模滤波技术的CMC滤波器，采用小型2.0×2.2 mm DFN封装，单颗元件适合USB2.0(480 Mbps)、IEEE1394(400 Mbps)、MDDI(最高550 Mbps)、MIPI(最高1.0 Gbps)和HDMI 1.2(每通道最高1.32 Gbps)等多种高速设计，为这些应用消除共模噪声，提供纯净的数据流。

图5：带超低电容ESD保护的集成CMC滤波器NUF2401MN用于USB2.0等高速应用。

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　值得一提的是，NUC2401MN与电容同样低于1 pF的硅竞争器件相比，提供更优异的ESD钳位性能，非常适合高速数据线路的EMI滤波及ESD保护应用。

　　总结

　　手机等便携设备随着数据率及时钟频率的提高，越来越需要高性能的EMI滤波与ESD保护方案。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，提供新的集成型EMI滤波器，在提供优异的EMI/RFI滤波性能的同时，还提供符合IEC61000-4-2 4级标准的ESD保护功能，以单颗IC替代10颗甚至数十颗分立元件，非常适合手机等便携应用中的音频及数据线路应用。