新一代手機中的EMC和ESD保護問題

因為手機還有空間的限制因素，所以USB2.0的三條線路ESD防護不得超過SOT666封裝尺寸。USB2.0專用ESD防護電路見圖3。

圖3：USB2.0保護拓撲

圖3所示的軌對軌保護概念是效率最高的高速數(shù)據(jù)線路ESD防護概念，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、信號均衡性、低功耗和最嚴格的ESD標準。

手機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。因為手機發(fā)射和傳送RF信號時，很多電子組件受到RF輻射，因此，必須抑制RF輻射以保護正常的工作。甚至在某些情況下，某些IC自己也會產(chǎn)生RF輻射以及射頻干擾。

基本上，很多接口都會容易受到GSM脈沖的攻擊，如音頻線路或LCD或相機模塊，產(chǎn)生能夠聽見的噪聲或可以看見的屏幕抖動。這就是在設計手機時強烈推薦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如多頻手機或3G手機的關(guān)鍵問題，因為現(xiàn)有解決方案即將達到技術(shù)極限。

采用分立的電阻和電容的單一阻容PI型濾波器設計不再是節(jié)省空間的解決方案。此外，因為衰減帶寬很窄，阻容濾波器的濾波性能極差。對于空間限制極嚴，工作頻率擴大幾個頻段的多頻手機和3G手機，這類濾波器的缺陷明顯。

設計師開始關(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，這些濾波器可針對高速數(shù)據(jù)應用實現(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?

對上文提及的兩種技術(shù)的純?yōu)V波性能進行對比，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)格中確實存在明顯的差別。但是考慮到特性曲線是在50Ω環(huán)境中測量到的，設計師可能注意到，在應用條件下，因為多數(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)電感對插入損耗的影響可忽略不計。因此，即使在濾波器技術(shù)規(guī)格中看到插入損耗的差異，這個差異也不真地適合應用條件。

盡管如此，我們可以使RC或LC濾波器信號傳輸能力實現(xiàn)差異化。特別是在高頻下，LC濾波器可能具有RC濾波器絕對沒有的某些振蕩效應。這些寄生振蕩可能會干擾信號甚至會產(chǎn)生比RC濾波器更長的延遲時間。圖4所示是通過硅LC濾波器進行的信號傳輸測試，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，因為它們的特性在實際應用中基本相同，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100%優(yōu)化。

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

因此，對于UART、RS232或音頻線路，標準電容在幾百個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干擾。

對于高速接口像LCD或CMOS傳感器，濾波器的寄生電容對視頻信號完整性的影響很大，所以電容值必須降到最低限度，幾十個兆赫茲的頻率，電容必須小于20pF。

這又帶來了新的問題，因為濾波器的濾波性能會因為本身電容變小而降低。

因為最近的半導體設計，現(xiàn)在市場上出現(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級的ESD保護功能。意法半導體是市場上率先推出電容超低、抑制帶寬極大并符合IEC61000-4-2第4級安全標準的濾波器結(jié)構(gòu)，EMIF08-VID01F2在 800MHz到3GHz頻帶內(nèi)可以實現(xiàn)30dB以上的衰減抑制，同時在3V工作電壓時其線電容只有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。

400um管腳間距還可簡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的一個超小濾波器的簡圖。

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個減少到1個，同時還能維持或降低應用的整體成本。

最后，RC硅濾波器是一個具有競爭力的解決方案，其過濾性能、ESD保護和PCB空間占用超過了分立解決方案。除單純的性能對比外，集成解決方案更適合新一代手機對寬衰減帶寬和高密度集成電路板的需求。

本文小結(jié)

在手機設計的初始階段，ESD和EMI問題變得越來越突出，必須根據(jù)實際應用選擇專門的方法來解決ESD和EMI問題。雖然保護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)的整體防護性能。