集成高速串行接口的EMI濾波及ESD保護(hù)問(wèn)題

　　集成高速串行接口的挑戰(zhàn)

　　雖然采用高速串行接口既支持高數(shù)據(jù)率，又滿(mǎn)足當(dāng)代智能手機(jī)設(shè)計(jì)的空間限制，但集成串行接口也會(huì)帶來(lái)不少挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的便是電磁干擾(EMI)挑戰(zhàn)，因?yàn)槎鄺l射頻及時(shí)鐘線(xiàn)路與接口耦合，會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。其次，集成高速串行接口時(shí)，復(fù)雜的剛性及柔性電路板布線(xiàn)會(huì)影響串行接口性能。此外，需要提供高信號(hào)完整性;如果信號(hào)完整性較差，會(huì)導(dǎo)致手機(jī)通話(huà)掉線(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸中斷及用戶(hù)體驗(yàn)較差。當(dāng)然，如今智能手機(jī)中也在使用采用更精微幾何尺寸工藝制造的芯片組，而這些芯片組更易于在發(fā)生靜電放電(ESD)事件時(shí)遭受損傷。

　　現(xiàn)有EMI抑制方法及問(wèn)題所在

　　由于在智能手機(jī)設(shè)計(jì)中集成高速串行接口存在上述挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員就需要采取適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/EMI">EMI抑制及ESD保護(hù)方案。我們先來(lái)審視EMI抑制問(wèn)題。

　　實(shí)際上，對(duì)于高速串行接口而言，差分信令已經(jīng)成為其事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。與使用單端信號(hào)的相同接口相比，差分信令提供更強(qiáng)的噪聲抑制。圖1左側(cè)中接收器作為基本的差分放大器，顯示了差分信令的基本優(yōu)勢(shì)。由于兩路差分信號(hào)呈180°異相，反相信號(hào)又被差分放大器反相后，兩路差分信號(hào)在放大器輸出端累加。圖1右側(cè)顯示的是差分放大器輸入相同的信號(hào)。它們稱(chēng)作共模信號(hào)，因?yàn)榻邮掌鞯膬陕份斎胄盘?hào)相同。這類(lèi)信號(hào)可能是手機(jī)功率放大器與數(shù)據(jù)線(xiàn)路通過(guò)對(duì)線(xiàn)路直接輻射或?qū)Φ伛詈隙a(chǎn)生的耦合導(dǎo)致的射頻(RF)干擾造成的。這時(shí)差分放大器將消減共模信號(hào)，如圖所示。

　　圖1：差分信令示意圖

　　無(wú)源共模濾波器通過(guò)變壓器耦合電感的動(dòng)作提供類(lèi)似的共模及差模特性，如圖2所示。在圖左側(cè)，輸入電流波形呈180°異相，用于傳輸差分信令。此電流與另一個(gè)線(xiàn)圈的感應(yīng)電流同相，故僅會(huì)這線(xiàn)圈的串聯(lián)阻抗削弱。圖右側(cè)顯示的是耦合電感輸入的共模或同相電流波形。

　　圖2：共模濾波(180°異相及同相)

　　上述使用共模濾波器(CMF)的無(wú)源濾波就是一種現(xiàn)有的EMI抑制方法，使高速差分信號(hào)能夠通過(guò)濾波器，而不會(huì)影響信號(hào)完整性。差分信令衍生的共模噪聲得到衰減，防止噪聲與智能手機(jī)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)及語(yǔ)音通信產(chǎn)生干擾。對(duì)于移動(dòng)手持設(shè)備而言，濾除蜂窩射頻工作頻率的共模噪聲尤為重要，因?yàn)楣材ｋ娏鞯妮椛鋱?chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著頻率而線(xiàn)性增加。因此，如果沒(méi)有恰當(dāng)濾除共模噪聲，手機(jī)中易受高頻噪聲影響的任何傳輸線(xiàn)路都可能是電磁干擾源。這種無(wú)源共模濾波方法明顯減輕了干擾程度，而且對(duì)信號(hào)完整性不會(huì)有重大影響，而這對(duì)智能手機(jī)的普及尤為重要。

　　圖3：共模濾波

　　但對(duì)無(wú)源共模濾波方案而言，還是會(huì)滋生問(wèn)題信號(hào)完整性?；阼F氧體及陶瓷的方案擁有相當(dāng)淺的共模噪聲衰減曲線(xiàn)，并不能強(qiáng)效地抑制700 MHz至2,500 MHz蜂窩射頻頻段的噪聲。不僅如此，基于鐵氧體的共模濾波器會(huì)衰減低頻噪聲，但在較高頻率時(shí)衰減噪聲能力會(huì)退化，造成蜂窩射頻頻段的噪聲污染。其次，還有機(jī)械強(qiáng)固性問(wèn)題?；阼F氧體及陶瓷的方案的構(gòu)造及封裝會(huì)使用鐵氧體或低溫共燒陶瓷(LTCC)作為構(gòu)建線(xiàn)圈的襯底?；谳^大鐵氧體及陶瓷構(gòu)建的方案性能最佳，但會(huì)占用大部分的電路板面積。基于較小鐵氧體的方案衰減的共模噪聲較少。此外，某些基于陶瓷或鐵氧體的方案并未在其共模濾波器陣列中集成ESD保護(hù)功能，或者使用的是基于壓敏電阻的保護(hù)方案，不能完好地保護(hù)接口及基帶或應(yīng)用處理器。

　　差分信令通常出現(xiàn)在多對(duì)線(xiàn)路中。以HDMI信令為例，有4條數(shù)據(jù)通道，表示有4對(duì)共模濾波器。MIPI差分信令、相機(jī)串行接口(CSI)及顯示屏串行接口(DSI)要求最少2對(duì)差分信令(1對(duì)用于傳輸數(shù)據(jù)，1對(duì)傳輸數(shù)據(jù)接口的時(shí)鐘信號(hào))。

　　基于鐵氧體或陶瓷的共模濾波器方案通過(guò)提供更大的LTCC襯底及將多對(duì)共模濾波器置于一起，解決了多對(duì)線(xiàn)路的共模濾波問(wèn)題。增大襯底能夠適應(yīng)并排多個(gè)共模濾波器的需要，但也會(huì)帶來(lái)機(jī)械強(qiáng)固性問(wèn)題。鐵氧體及LTCC襯底易碎，發(fā)生偶然墜落等事件時(shí)，可能遭受毀滅性損壞。鐵氧體或LTCC襯底也可能會(huì)出現(xiàn)破裂，損壞共模濾波器結(jié)構(gòu)的核心，致使元件不能用于EMI抑制或ESD濾波。

傳統(tǒng)共模濾波器在商業(yè)溫度范圍內(nèi)(特別是在+85℃時(shí))也會(huì)出現(xiàn)性能問(wèn)題。溫度升高時(shí)，鐵芯飽和，阻抗增加，濾波性能發(fā)生變化。而在功率放大器工作及無(wú)線(xiàn)設(shè)備在蜂窩系統(tǒng)中通信時(shí)，智能手機(jī)內(nèi)部溫度可能高達(dá)+85℃。

　　基于鐵芯或陶瓷襯底的傳統(tǒng)共模濾波器的尺寸相對(duì)較大，目的單一(即共模濾波)。它們抑制EMI，但從節(jié)省空間或成本的角度而言，并不高效，而且不足以解決ESD保護(hù)問(wèn)題，而ESD保護(hù)是使用最新基帶及應(yīng)用處理器的智能手機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題。這些器件的性?xún)r(jià)比、電路板空間/性能比并不具備吸引力。

　　集成EMI抑制及ESD保護(hù)的途徑

　　如果智能手機(jī)持續(xù)演進(jìn)，傳統(tǒng)共模濾波器就會(huì)成為束縛，這些產(chǎn)品的復(fù)雜度及能夠支持的功能就會(huì)存在局限。但有利的是，業(yè)界開(kāi)發(fā)出了創(chuàng)新的半導(dǎo)體技術(shù)，使手機(jī)制造商能夠提供豐富功能的智能手機(jī)。硅濾波器的出現(xiàn)，能夠幫助智能手機(jī)設(shè)計(jì)持續(xù)進(jìn)步。安森美半導(dǎo)體率先意識(shí)到了從并行接口到串行接口的過(guò)渡，開(kāi)發(fā)出了集成EMI抑制及ESD保護(hù)的串行接口硅方案產(chǎn)品線(xiàn)。安森美半導(dǎo)體運(yùn)用為低通濾波器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的構(gòu)建銅鋁(copper over aluminum)電感工藝中獲得的專(zhuān)知，擴(kuò)展了這種工藝，創(chuàng)建出嵌入在硅襯底中的共模濾波器線(xiàn)圈，能夠有效地抑制共模噪聲，同時(shí)對(duì)差分信令的影響甚微，使差分信號(hào)事實(shí)上順暢無(wú)陰地通過(guò)。

　　將不同的單獨(dú)裸片共同封裝在一起，能夠?yàn)橹悄苁謾C(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供一種總體方案，提供強(qiáng)固的噪聲抑制及ESD保護(hù)能力，適用于最流行的接口，如USB、MIPI、DSI、CSI及HDMI等。后續(xù)還會(huì)衍生出將這些共模濾波器結(jié)構(gòu)構(gòu)建在極低電容ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)上的新方案，進(jìn)一步提升集成度及簡(jiǎn)化制造流程。

　　圖4：硅共模濾波器制造流程

　　安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商，為了應(yīng)對(duì)智能手機(jī)等便攜設(shè)備高速串行接口的EMI抑制及ESD保護(hù)需求，推出了集成了ESD保護(hù)的EMI2121、EMI4182及EMI4183等新的硅共模濾波器，用于抑制噪聲及提供高信號(hào)完整性，除了適合智能手機(jī)，還可用于平板電腦、無(wú)線(xiàn)連接底座、數(shù)碼攝像機(jī)及機(jī)頂盒和DVD播放機(jī)等應(yīng)用。這些新的共模濾波器不同于傳統(tǒng)的EMI濾波器，乃是基于硅片制造，更適合以更深度及更高頻率抑制EMI，非基于陶瓷或鐵氧體的方案可比。這些集成ESD保護(hù)及EMI抑制功能的新器件，比競(jìng)爭(zhēng)方案節(jié)省空間多達(dá)50%，從而可以可觀的節(jié)省物料單(BOM)，且為無(wú)線(xiàn)手機(jī)設(shè)計(jì)人員提供了整體(turnkey)解決方案。

EMI2121是單對(duì)共模濾波器，EMI4182是雙對(duì)共模濾波器，EMI4183是三對(duì)共模濾波器，全都提供500 MHz時(shí)典型值15 dB的共模抑制，及500 MHz時(shí)典型值僅1.0 dB的插入損耗。它們的