為便攜應(yīng)用選擇適當(dāng)集成EMI濾波及ESD保護方案

如今的手機等便攜設(shè)備的尺寸日趨小巧纖薄，同時又在集成越來越多的新功能或新特性，如大尺寸顯示屏、高分辨率相機模塊、高速數(shù)據(jù)接口、互聯(lián)網(wǎng)接入、電視接收等，讓便攜設(shè)備的數(shù)據(jù)率及時鐘頻率越來越高。這樣，便攜設(shè)備面臨著諸多潛在的電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)源的風(fēng)險，如開關(guān)負(fù)載、電源電壓波動、短路、電感開關(guān)、雷電、開關(guān)電源、RF放大器和功率放大器、帶狀線纜與視頻顯示屏的互連及時鐘信號的高頻噪聲等。因此，設(shè)計人員需要針對音頻插孔/耳機、USB端口、揚聲器、鍵盤、麥克風(fēng)、相機、顯示屏互連等多個位置，為便攜設(shè)備選擇適合的EMI/RFI濾波方案。

常見EMI/RFI濾波器類型及濾波要求

對于EMI/RFI濾波器而言，從架構(gòu)上看，最常見的架構(gòu)是“Pi”濾波器，顧名思義，這種架構(gòu)類似于希臘字母“π”。常見的π型濾波器有兩種，分別是C-R-C(電容-電阻-電容)濾波器和C-L-C(電容-電感-電容)濾波器。其中，C-R-C濾波器(見圖1a)也稱RC-π型濾波器或π型RC濾波器，用于音頻及低速數(shù)據(jù)濾波應(yīng)用；C-L-C濾波器(見圖1b)也稱作LC-π型濾波器或π型LC濾波器，用于音頻、低速及高速數(shù)據(jù)濾波應(yīng)用。

π型濾波器還有一種擴展類型，即形狀象梯子的梯形濾波器，其中最常見的是LC(電感電容)梯形濾波器(見圖1c)，這種濾波器承受更高的數(shù)據(jù)率，但在濾波元件(電感或電容)增多時，尺寸和成本會成為問題，導(dǎo)致物料成本更高、封裝更大。

圖1：常見EMI/RFI濾波器類型的結(jié)構(gòu)示意圖：a) π型RC；b) π型LC；c) LC梯形。

這幾種類型的EMI/RFI濾波器中，從頻幅響應(yīng)比較來看，π型RC濾波器的躍遷帶(transition band)最寬，轉(zhuǎn)折率(rolloff)最低；π型LC濾波器的轉(zhuǎn)折率較低，但躍遷帶適中；梯形濾波器則能實現(xiàn)極高的轉(zhuǎn)折率及較窄的躍遷帶寬。

就EMI/RFI濾波而言，以手機應(yīng)用為例，傳統(tǒng)上的一個基準(zhǔn)頻率是800 MHz，因為800 MHz接近手機所用頻段的起始頻率。大多數(shù)情況下，手機設(shè)計工程師要求在800 MHz以上頻率進行濾波，這一般意味著最低30 dB的信號衰減。隨著手機中功能的增多以及時鐘與數(shù)據(jù)信號的分類，基準(zhǔn)頻率正在降低。許多便攜電子產(chǎn)品制造商要求在400 MHz頻率進行EMI/RFI濾波，未來可能還會要求在更低頻率下進行EMI/RFI濾波。

集成EMI濾波與ESD保護

在便攜產(chǎn)品中，濾波器一般位于鄰近連接端口、麥克風(fēng)和揚聲器的位置。而恰好這些位置也可能面臨靜電放電(ESD)事件。以音頻線路為例，如果采用分立元件方案來分別進行EMI濾波和ESD保護，就面臨著執(zhí)行這兩項功能所需要的元器件數(shù)量問題。其中，就EMI濾波器而言，如果使用1個分立的π型LC濾波器，就需要2個表面貼裝電容和1個表面貼裝電感。為了提供ESD保護，還需要額外增加某種類型的表面貼裝瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管。這樣，1條音頻線路的EMI濾波和ESD保護就需要4個獨立元件，這里還未提及這些元件所需占用的便攜設(shè)彌足珍貴的空間問題。如果不止1條音頻線路，那采用分立元件方案就更不切實際了。

因此，最簡單的方案就是在同一個元件中集成EMI濾波與ESD保護功能。首先，集成方案中的集成型TVS二極管也提供EMI濾波所需的電容；其次，改進工藝技術(shù)也可大幅提升集成型電感的質(zhì)量。通過將這些集成型元器件集成到硅片上，原來需要多個獨立元件的方案，就可以采用集成型EMI濾波+ESD保護方案(參見圖2)。

圖2：集成型EMI濾波+ESD保護方案：a) π型RC；b) π型LC；c) LC梯形

其中，在ESD保護等級方面，IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了系統(tǒng)級測試條件及保護等級，這等級分為4種，便攜應(yīng)用通常需要的是第4級保護，即在8 kV接觸放電或15 kV空氣放電IEC61000-4-2測試條件下，便攜設(shè)備需要能夠承受住ESD事件沖擊。

總的來說，通過高性價比地集成EMI濾波與ESD保護，便攜應(yīng)用設(shè)計人員可以降低成本，減少物料單(BOM)元件數(shù)量，并減小電路板占用空間。