集成高速串行接口的EMI濾波及ESD保護問(wèn)題

　　集成高速串行接口的挑戰

　　雖然采用高速串行接口既支持高數據率，又滿(mǎn)足當代智能手機設計的空間限制，但集成串行接口也會(huì )帶來(lái)不少挑戰。首當其沖的便是電磁干擾(EMI)挑戰，因為多條射頻及時(shí)鐘線(xiàn)路與接口耦合，會(huì )產(chǎn)生串擾。其次，集成高速串行接口時(shí)，復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，需要提供高信號完整性;如果信號完整性較差，會(huì )導致手機通話(huà)掉線(xiàn)、數據傳輸中斷及用戶(hù)體驗較差。當然，如今智能手機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。

　　現有EMI抑制方法及問(wèn)題所在

　　由于在智能手機設計中集成高速串行接口存在上述挑戰，設計人員就需要采取適當的EMI抑制及ESD保護方案。我們先來(lái)審視EMI抑制問(wèn)題。

　　實(shí)際上，對于高速串行接口而言，差分信令已經(jīng)成為其事實(shí)標準。與使用單端信號的相同接口相比，差分信令提供更強的噪聲抑制。圖1左側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。由于兩路差分信號呈180°異相，反相信號又被差分放大器反相后，兩路差分信號在放大器輸出端累加。圖1右側顯示的是差分放大器輸入相同的信號。它們稱(chēng)作共模信號，因為接收器的兩路輸入信號相同。這類(lèi)信號可能是手機功率放大器與數據線(xiàn)路通過(guò)對線(xiàn)路直接輻射或對地耦合而產(chǎn)生的耦合導致的射頻(RF)干擾造成的。這時(shí)差分放大器將消減共模信號，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，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)圈的感應電流同相，故僅會(huì )這線(xiàn)圈的串聯(lián)阻抗削弱。圖右側顯示的是耦合電感輸入的共?；蛲嚯娏鞑ㄐ?。

　　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)源濾波就是一種現有的EMI抑制方法，使高速差分信號能夠通過(guò)濾波器，而不會(huì )影響信號完整性。差分信令衍生的共模噪聲得到衰減，防止噪聲與智能手機和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的數據及語(yǔ)音通信產(chǎn)生干擾。對于移動(dòng)手持設備而言，濾除蜂窩射頻工作頻率的共模噪聲尤為重要，因為共模電流的輻射場(chǎng)強度會(huì )隨著(zhù)頻率而線(xiàn)性增加。因此，如果沒(méi)有恰當濾除共模噪聲，手機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，而且對信號完整性不會(huì )有重大影響，而這對智能手機的普及尤為重要。

　　圖3：共模濾波

　　但對無(wú)源共模濾波方案而言，還是會(huì )滋生問(wèn)題信號完整性?；阼F氧體及陶瓷的方案擁有相當淺的共模噪聲衰減曲線(xiàn)，并不能強效地抑制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，還有機械強固性問(wèn)題?；阼F氧體及陶瓷的方案的構造及封裝會(huì )使用鐵氧體或低溫共燒陶瓷(LTCC)作為構建線(xiàn)圈的襯底?；谳^大鐵氧體及陶瓷構建的方案性能最佳，但會(huì )占用大部分的電路板面積?；谳^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保護功能，或者使用的是基于壓敏電阻的保護方案，不能完好地保護接口及基帶或應用處理器。

　　差分信令通常出現在多對線(xiàn)路中。以HDMI信令為例，有4條數據通道，表示有4對共模濾波器。MIPI差分信令、相機串行接口(CSI)及顯示屏串行接口(DSI)要求最少2對差分信令(1對用于傳輸數據，1對傳輸數據接口的時(shí)鐘信號)。

　　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襯底及將多對共模濾波器置于一起，解決了多對線(xiàn)路的共模濾波問(wèn)題。增大襯底能夠適應并排多個(gè)共模濾波器的需要，但也會(huì )帶來(lái)機械強固性問(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 )出現破裂，損壞共模濾波器結構的核心，致使元件不能用于EMI抑制或ESD濾波。

傳統共模濾波器在商業(yè)溫度范圍內(特別是在+85℃時(shí))也會(huì )出現性能問(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)設備在蜂窩系統中通信時(shí)，智能手機內部溫度可能高達+85℃。

　　基于鐵芯或陶瓷襯底的傳統共模濾波器的尺寸相對較大，目的單一(即共模濾波)。它們抑制EMI，但從節省空間或成本的角度而言，并不高效，而且不足以解決ESD保護問(wèn)題，而ESD保護是使用最新基帶及應用處理器的智能手機的一項關(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保護的途徑

　　如果智能手機持續演進(jìn)，傳統共模濾波器就會(huì )成為束縛，這些產(chǎn)品的復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 )新的半導體技術(shù)，使手機制造商能夠提供豐富功能的智能手機。硅濾波器的出現，能夠幫助智能手機設計持續進(jìn)步。安森美半導體率先意識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保護的串行接口硅方案產(chǎn)品線(xiàn)。安森美半導體運用為低通濾波器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的構建銅鋁(copper over aluminum)電感工藝中獲得的專(zhuān)知，擴展了這種工藝，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)對差分信令的影響甚微，使差分信號事實(shí)上順暢無(wú)陰地通過(guò)。

　　將不同的單獨裸片共同封裝在一起，能夠為智能手機設計團隊提供一種總體方案，提供強固的噪聲抑制及ESD保護能力，適用于最流行的接口，如USB、MIPI、DSI、CSI及HDMI等。后續還會(huì )衍生出將這些共模濾波器結構構建在極低電容ESD保護結構上的新方案，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，為了應對智能手機等便攜設備高速串行接口的EMI抑制及ESD保護需求，推出了集成了ESD保護的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完整性，除了適合智能手機，還可用于平板電腦、無(wú)線(xiàn)連接底座、數碼攝像機及機頂盒和DVD播放機等應用。這些新的共模濾波器不同于傳統的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保護及EMI抑制功能的新器件，比競爭方案節省空間多達50%，從而可以可觀(guān)的節省物料單(BOM)，且為無(wú)線(xiàn)手機設計人員提供了整體(turnkey)解決方案。

EMI2121是單對共模濾波器，EMI4182是雙對共模濾波器，EMI4183是三對共模濾波器，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