安森美半導體電路保護及濾波技術(shù)透視暨智能手機典型應用示例

靜電放電(ESD)保護及電磁干擾(EMI)正在成為所有電氣設備越來(lái)越重要的考慮因素。消費者要求智能手機等便攜/無(wú)線(xiàn)設備具有更多功能特性及采用纖薄型工業(yè)設計，這就要求設計人員要求更加注重小外形封裝之中的ESD及EMI性能。本文將分析電路保護要求，比較不同的電路保護技術(shù)及濾波技術(shù)，介紹安森美半導體應用于典型電路保護及濾波應用的產(chǎn)品，幫助設計工程師設計出更可靠的便攜及消費類(lèi)產(chǎn)品。

關(guān)鍵芯片組外部ESD保護要求
業(yè)界正在采用最先進(jìn)的技術(shù)制造先進(jìn)的系統級芯片(SoC)。設計人員為了優(yōu)化功能及芯片尺寸，正在持續不斷地減小其芯片設計的最小特征尺寸。但相應的代價(jià)是：隨著(zhù)特征尺寸減小，器件更易于遭受ESD損傷。當今的集成電路(IC)給保護功能所留下的設計窗口已經(jīng)減小。ESD保護必須在安全過(guò)壓及過(guò)流區工作。隨著(zhù)業(yè)界趨向以更小幾何尺寸和更低電壓制造更先進(jìn)IC，IC的安全工作區也在縮小。

有效ESD保護的關(guān)鍵是限制ESD事件期間的電壓，令其處于給定芯片組的安全電壓窗口內。ESD保護產(chǎn)品實(shí)現有效ESD保護的方式，是在ESD事件期間提供接地的低阻抗電流路徑；用于新集成電路的保護產(chǎn)品需要更低的動(dòng)態(tài)阻抗(Rdyn)，從而避免可能導致?lián)p傷的電壓。

由于給保護功能所留的設計窗口減小，選擇具有低動(dòng)態(tài)阻抗的ESD保護產(chǎn)品變得更加重要，以此確保鉗位電壓不超過(guò)新芯片組的安全保護窗口。因此，ESD保護產(chǎn)品供應商必須提供保護產(chǎn)品有效性的信息，而非僅是保護產(chǎn)品自身的存續等級。

硅ESD保護技術(shù)與無(wú)源ESD保護技術(shù)比較
安森美半導體的保護及濾波方案基于先進(jìn)的硅工藝。相比較而言，其它幾種低成本無(wú)源方案結合使用了陶瓷、鐵氧體及多層壓敏電阻(MLV)材料。這些類(lèi)型器件傳統上ESD鉗位性能較弱。在某些無(wú)源方案中，下游器件會(huì )遭受的電壓比安森美半導體硅方案高出一個(gè)或多個(gè)數量級，下圖中的ESD屏幕截圖所示，其中比較了安森美半導體硅方案與競爭技術(shù)在8 kV ESD應力條件下的表現。競爭技術(shù)的導通電壓如此之高，以致于它根本不會(huì )激活，所測的電壓只不過(guò)是在50 Ω測量電路上的電壓降。其它一些更老技術(shù)甚至在經(jīng)歷較少幾次ESD沖擊后性能就會(huì )下降。由于材料成分原因，某些無(wú)源器件往往在不同溫度條件下的性能表現不一致，因此在惡劣環(huán)境下的可靠性更低。

圖1：安森美半導體硅器件與無(wú)源競爭器件以50 Ω系統在8 kV測得的ESD鉗位性能比較

消除信號完整性問(wèn)題的PicoGuard? XS ESD保護技術(shù)
傳統ESD保護產(chǎn)品貼裝在信號走線(xiàn)與地之間，在信號路徑上不會(huì )產(chǎn)生中斷。為了將高速數據線(xiàn)路的信號完整性下降問(wèn)題減至最輕，電容必須最小化，如圖2所示。

圖2：傳統ESD保護設計方法與PicoGuard XS比較。

安森美半導體優(yōu)異的PicoGuard XS技術(shù)通過(guò)使信號路徑穿越保護產(chǎn)品，提供阻抗匹配的信號路徑，故而消除了信號完整性問(wèn)題。PicoGuard XS技術(shù)平衡了封裝串聯(lián)電感與保護二極管電容，提供極佳的100 Ω信號路徑，與PCB上走線(xiàn)的阻抗匹配。此外，這種設計事實(shí)上省下了與保護二極管串聯(lián)的電感，因而將ESD事件起始階段的封裝引致電壓尖峰減至最小。

電磁干擾(EMI)濾波：?jiǎn)味藶V波器與共模濾波器(CMF)
安森美半導體提供兩種類(lèi)型的EMI濾波器，分別是單端濾波器及共模濾波器。單端濾波器采用不同陣列配置來(lái)制造，用于并行接口。這些濾波器包括用于音頻等低速信號的通用電阻-電容(RC)型濾波器和用于較高速度及功率敏感型接口的電感-電容(LC)型濾波器。低通濾波器提供700 MHz至最高6 GHz范圍的截止頻率。截止頻率如圖8所示的S21圖所示。單端濾波器無(wú)法滿(mǎn)足高速差分接口的需求。差分接口擁有固有的噪聲抑制，但它們不能完全免受可能存在于來(lái)自外部源的共模噪聲的影響，亦不能防止接口信號輻射至系統其它元件。

圖3：?jiǎn)味说屯V波器特性

這些應用中能使用共模濾波器(CMF)來(lái)消除不想要的共模噪聲，并防止高速信號輻射有害的共模噪聲信號至系統其它元件。同時(shí)，CMF還使想要的高速數據事實(shí)上不受影響地通過(guò)。典型的CMF特性如圖4所示，圖中顯示消除了共模噪聲，同時(shí)支持差模信號無(wú)損通過(guò)。

圖4：共模濾波器特性

智能手機等便攜及消費產(chǎn)品電路保護及濾波應用示例
1) USB 2.0接口濾波及保護
安森美半導體為USB 2.0接口提供適合1對高速線(xiàn)路及VCC的低電容ESD保護方案(如NUP4114UPX、NUP4114UCL、NUP4114H、ESD7L5.0及ESD9L5.0)，還提供適合1對高速線(xiàn)路及VCC的共模濾波器及ESD保護方案(EMI2121)，用于智能手機、數碼相機等便攜/無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中的USB 2.0接口。

2) USB 3.0接口ESD保護
智能手機、平板電腦等便攜/無(wú)線(xiàn)設備的功能越來(lái)越多、性能越來(lái)越強、存儲容量越來(lái)越大，與外界的數據通信需求也越來(lái)越高。USB標準制定組織宣布，速度是USB 2.0十倍的USB 3.0端口有望在2012年度或2013年初支持智能手機和平板電腦設備。

安森美半導體為USB 3.0接口提供一系列方案，用于為2對超高速線(xiàn)路、1對高速線(xiàn)路及VCC提供低電容ESD保護。這些方案包括ESD7008(保護8條線(xiàn)路、0.12 pF電容、5.5 x 1.5 mm UDFN-18封裝)、ESD7104(保護4條線(xiàn)路、0.3 pF電容、2.5 x 1.0 mm UDFN-10封裝)、ESD7004(保護4條線(xiàn)路、0.4 pF電容、2.5 x 1.0 mm UDFN-10封裝)及ESD7L(保護2條線(xiàn)路、0.5 pF電容、1.2 x 1.2 mm SOT-723封裝)。

3) 相機及顯示屏并行接口及串行接口保護
安森美半導體為相機及顯示屏并行接口和串行接口提供保護方案。其中，適合4至12條線(xiàn)路并行接口的低通濾波器及ESD保護方案包括EMI720x系列、EMI940x系列、CM1693系列及CM1457系列；適合3至5對高速串行通道的共模濾波器及ESD保護方案包括EMI4182及EMI4183等。這些產(chǎn)品可用于智能手機和數碼相機等應用。

4) 便攜產(chǎn)品HDMI端口濾波及保護
一些智能手機及平板電腦設計已經(jīng)開(kāi)始支持HDMI端口，配合用戶(hù)以更高速率傳輸音視頻數據的需求。安森美半導體提供適合于便攜產(chǎn)品HDMI端口濾波及保護的低阻抗共模濾波器(CMF)，適合為4對高速線(xiàn)路及最多6條額外接口線(xiàn)路提供低電容ESD保護及共模濾波。

5) 消費類(lèi)產(chǎn)品HDMI及顯示屏端口保護
安森美半導體為消費類(lèi)產(chǎn)品HDMI及顯示屏端口提供不同類(lèi)型的濾波及保護方案，包括適合4對高速線(xiàn)路、最多6條額外線(xiàn)路的低電容ESD保護及共模濾波方案(EMI4182)，適合4對高速線(xiàn)路、最多6條額外線(xiàn)路的低電容ESD保護方案(ESD7004, MG2040)，以及適合4對高速線(xiàn)路、最多6條額外線(xiàn)路、內部阻抗匹配的ESD保護PicoGuard? XS。

6) 智能手機等應用的音頻濾波及保護
安森美半導體為揚聲器/耳機、差分麥克風(fēng)、雙麥克風(fēng)等應用提供相應的EMI濾波器及ESD保護方案，包括應用于揚聲器/耳機濾波及保護的NUF2441FC和NUF2450MU，以及用于差分/雙麥克風(fēng)濾波及保護的CM6200和CM6205等。

總結：
設計人員需要為智能手機、平板電腦、數碼相機等便攜及無(wú)線(xiàn)、消費等應用選擇適合的電路保護及濾波方案。安森美半導體身為應用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應商，致力提供對目標應用具有最佳技術(shù)和經(jīng)濟價(jià)值的保護及濾波方案。本文分析了電路保護的技術(shù)趨勢及EMI濾技術(shù)比較，并結合具體應用示例，介紹安森美半導體相應產(chǎn)品，幫助設計人員選擇恰當的電路保護及濾波方案。