高速差分數(shù)據(jù)傳輸EMI低通濾波器
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內(nèi)置ESD保護功能的濾波器
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(shè)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。
濾除和保護功能比較
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(shè)計人員必須參考幾個重要參數(shù)，其中帶寬是一個至關(guān)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(yīng)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(shè)帶寬是在SDD21參數(shù)的最大衰減度-3db下取得的。
濾波器帶寬 | |
解決方案1 有/無保護器件的LTTC濾波器 | 4Ghz |
解決方案2 內(nèi)置變阻器的LTTC濾波器 | 3Ghz |
解決方案3 內(nèi)置TVS的硅濾波器 | 3Ghz |
解決方案4 意法半導體的內(nèi)置TVS的硅濾波器 | 7Ghz |
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(shù)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）。
系統(tǒng)級優(yōu)化
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(shè)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(shù)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(yīng)用設(shè)計人員最關(guān)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(shù)給設(shè)計人員帶來多個好處，促使設(shè)計人員在設(shè)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(shù)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(shè)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(shù)是必選技術(shù)。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(shè)計范例還能使元器件數(shù)量節(jié)省70%。
結(jié)論
這個內(nèi)置保護芯片的新一代共模濾波器為設(shè)計人員帶來多重好處。除特別適合在高速差分信號應(yīng)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(shè)計外觀尺寸更小的便攜產(chǎn)品設(shè)計人員，意法半導體還推出了WCSP封裝的CMF濾波器。
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