集成無源和有源器件提高移動電話性能

優(yōu)越的電氣性能
諸如蜂窩電話等移動設備都具有數據或音頻接口連接外部器件，如麥克風、音樂播放器、攝像頭、外部存儲器或者多媒體卡。所有這些I/O接口被認為是傳導和輻射EMI以及ESD等干擾的潛在來源和引入點，必須完全抑制這些干擾。

圖1 IPAD電路與無源分立器件衰減性能比較

圖2 抑制ESD的基本ZRZ單元結構的等效原理圖

圖3 SOT和倒裝芯片封裝濾波性能的比較

迄今為止，分立器件已經被廣泛應用來實現ESD保護和EMI濾波功能。從提高性能的觀點以及考慮到節(jié)省空間的發(fā)展趨勢看，現在這種方案在很大程度上不宜繼續(xù)采用。
通過集成EMI低通濾波器，IPAD技術可以抑制高頻譜內的高頻輻射，這些高頻輻射不利于設備通過EMC標準。圖1是EMIF系列產品獲得IPAD濾波器衰減性能與33pF的分立電容的比較。EMIF器件能在更寬的頻段內衰減不希望要的信號。
采用電容濾波的分立器件方案的衰減曲線表明，在非常窄的共振頻率內有很大的衰減，而在較高的頻率上衰減很小。分立器件方案對于藍牙或Wi-Fi交換協議效率較低。
IPAD器件在800MHz 到3GHz范圍內表現較好，其衰減低于-25dB。因此IPAD低通濾波器抑制GSM、DCS或藍牙設備中的RF器件的不希望的信號，避免了這些信號影響基帶芯片組和RF模塊。
除了噪音濾除功能，IPAD技術還提供符合IEC61000-4-2的4級指標的ESD保護功能，即8kV接觸放電和15kV空氣放電。由于集成了雙鉗位結構，當施加15kV的ESD電涌時，器件的輸出電壓減小為10V。

說明
在EMI濾波和ESD保護方面獲得了良好的性能是由于采用了為實現這兩個功能而設計的雙齊納單元結構(見圖2)。這種結構非常適合于設計者在對印刷電路板尺寸有限制的場合，特別是使用倒裝芯片封裝時。
顯然IPAD技術并不局限于集成雙齊納單元，還可以集成各種其它元件。這樣設計者可以通過集成上拉或下拉電阻、耦合或去耦電容、肖特基二極管、小信號晶體管、PIN或變容二極管等給系統增加更多功能。

高集成度
IPAD產品集成以前在分立器件中采用的是無源陣列和網絡。與標準分立器件相比，估計節(jié)省尺寸50%~80%。因此這一技術對于同時考慮電氣性能和尺寸的設計者非常有吸引力。
用IPAD技術和分立器件方案實現10級濾波器加上ESD保護所需要的尺寸比較如下，完全的分立器件方案需要印刷電路板約19mm2，而用EMIF10-1K010F1的倒裝芯片封裝僅需要6.8mm2。

IPAD封裝的效果
由于具有每平方毫米最高的功能密度，IPAD電路非常適合于高密度電路板。為了最大限度地利用IPAD技術，應該使用倒裝芯片和QFN封裝。由于減小了寄生電感，這些封裝減少了不希望的高頻寄生元件，提高了電氣性能。
對于IPAD技術，倒裝芯片封裝的性能最好。典型倒裝芯片封裝的內在寄生電感為每塊0.20nH，比SOT塑料封裝每個引線的0.40nH小很多。這種減小寄生電感對濾波性能的作用見圖3。衰減增益與SOT-323封裝比較約為15%。
圖3還說明，SOT-23封裝的寄生電感值為每個引線0.55nH時濾波性能在800MHz時為-20dB。而對于倒裝芯片封裝，同頻率的濾波響應為-28dB，性能提高大約25%。

IPAD應用實例
SIM卡接口
SIM卡接口(Subscriber Identify Module --- 用戶識別模塊)是一個通常用于移動電話中的可移動CPU加上存儲器的模塊。這種存儲卡由用戶插入手機背面的連接座中，這使得SIM卡接口暴露在有害的ESD電涌以及天線傳輸的RF信號下。
為了避免由于ESD或通過SIM卡座引入的有害射頻信號而引起的損壞，移動電話設計者通常在卡座和SIM卡IC之間加入ESD保護和EMI濾波電路。
除了ESD保護功能，集成低通濾波器還可以抑制每個數據線上的RF信號：RESET(復位)、 CLOCK(時鐘)、 I/O(輸入/輸出)。這種濾波器還適合于GSM、DCS和藍牙頻段，使用低容差電阻集成技術實現連線阻抗匹配。
連線電容可以按GSM11.1x標準調節(jié)下降時間和上升時間，不超過50ns。
除了濾波作用，ESD保護功能分成互補的兩級(見圖2)。ESD浪涌被第一級S1鉗位，然后通過電阻R將保持的電壓施加到第二級S2。這種對稱結構使得輸出電壓非常低。
輸出電壓鉗位的方程為：
Vclamping=Vbr+Rd*Ip
這里Vbr是二極管擊穿電壓，Rd是二極管的動態(tài)電阻，Ip是ESD峰值電流。
假設二極管的動態(tài)電阻與濾波電阻R以及負載電阻Rload相比可以忽略，Voutput可以用下面公式計算：
Voutput=(R . Vbr + Rd . Vinput) / R,
Vinput=(Rg . Vbr + Rd . Vg) / R
考慮電路的電氣性能，對于ESD電路施加8kV放電時，計算結果Voutput=8.4V。因此當過壓出現時，這一電壓保持在安全范圍，充分說明IPAD技術的良好性能。
移動電話中的USB連接
USB正在成為一種將移動電話和諸如筆記本電腦、PDA或攝像頭等消費電子設備或計算機相連接的應用辦法。USB具有低速和可達12Mbps的高速總線的優(yōu)點，比串口快100倍。這種數據交換協議還可以自動檢測到連接的外設而不需要關機操作。
一方面，這種即插即用能力使系統和USB連接器易受人為的影響，通過簡單的接觸有可能產生有害的ESD放電。因此USB連接必須遵守IEC61000的4級標準。
另一方面，特別是當我們考慮無線應用時，USB連接器是RF信號回路非常危險的引入點，它有可能破壞USB集線器。這種RF影響必須通過EMI濾波器抑制，以便符合FCC的15章節(jié)或CISPR的22條的規(guī)定。
IPAD技術同時滿足USB1.1指標關于USB的I/O線對EMI濾波以及連線的要求。除了集成EMI濾波、連線負載、上拉電阻以外，IPAD技術還具有ESD保護的功能，符合IEC61000-4-2的4級的要求，所有這些都集成在單一硅片上。

圖4 USB濾波在移動電話實現的原理

圖4是電路實現原理(EMIF02-USB01)的例子，所有提及的功能集成在倒裝芯片封裝2.6mm2的硅片上。
與SOT-323相比，倒裝芯片封裝可節(jié)省40%的電路板空間，并具有較高的濾波特性。
USB連線終端負載可以通過串聯電阻到數據線來實現。這些電阻匹配USB電纜阻抗，以便保證適當的負載，維持信號的完整性。
D+和D-線需要上拉電阻來識別設備是全速還是低速設備。使用IPAD技術，這些電阻集成在硅片上，滿足USB1.1指標中5%精度的要求。
在這個例子中，低通濾波器由串聯電阻和與I/O線并聯的雙鉗位二極管組成。這一結構中，RC濾波網絡在1GHz時的頻率衰減為-25dB。
除了輻射EMI功能，上面例子中的電路通過了在每個I/O數據線上放置ESD雙向二極管而進行的IEC61000-4-5的4級測試。
USB應用的設計對滿足ESD和EMI濾波標準的要求非常關鍵。采用倒裝芯片封裝的IPAD可以使手機具有USB連接，并且滿足相應的標準，提供全集成方案，同時包括阻抗匹配、上拉電阻。而且，優(yōu)化硅片結構設計可以達到USB1.1指標所需的50pF電容的要求。
IPAD技術對于尋求良好的電氣性能和節(jié)約電路板尺寸的設計者來說，有非常大的吸引力?！?曹譯)