新一代高速差分數據傳輸EMI低通濾波器

最新的消費電子產(chǎn)品，如電視機、機頂盒或手機，都能相互連接在一起，或者至少都配備高速度數據接口。最終消費者最常用的接口是USB或 HDMI/MHL高清多媒體接口，但是還有最終消費者看不到的然而對于設計人員卻同等重要的內部接口，例如，新出現的MDDI或MIPI接口，這些內部接口用于連接電路板上不同的模塊或功能。例如，我們不能忽視手機相機傳感器或AMOLED顯示平板與手機主板的連接改用差分數據線(xiàn)而棄用并行數據線(xiàn)的發(fā)展趨勢，因為差分數據傳輸的優(yōu)點(diǎn)是可以提高數據速率和顯示器分辨率 ...

顯然，這些新接口正在形成一個(gè)新的富有挑戰性的環(huán)境，同時(shí)加大了ESD和EMI現象對電子產(chǎn)品設計的威脅。

當然，傳統的EMI低通濾波器，如RC濾波器或LC濾波器，將很快達到濾波器的極限值，因此為適應這些新的應用發(fā)展趨勢，我們必須開(kāi)發(fā)新一代保護芯片。ECMF新系列保護芯片是以高性能濾波器享譽(yù)業(yè)界的意法半導體為滿(mǎn)足最新的超高速差分信號濾波和ESD保護要求而專(zhuān)門(mén)設計的新一代保護產(chǎn)品。

過(guò)去，ESD保護或EMI濾波功能以使用RC或LC解決方案為主，例如 LTTC或硅芯片。但是，數據速率更高的總線(xiàn)的問(wèn)世，以及差分信號傳輸替代并行總線(xiàn)的發(fā)展趨勢，自然迫使設計人員提高整個(gè)系統的EMC抗干擾性，尋求新的解決方案。毋庸置疑，考慮到LC或RC濾波器是由電感或電阻與接地電容器組成，特別是內在電容效應本身將會(huì )影響信號的完整性，這兩類(lèi)濾波器將無(wú)法適應數據總線(xiàn)不斷提高速率的趨勢。因此，只要抑制電容即可避免濾波器出現電容效應；但是這種方法意味喪失濾波器芯片的濾波屬性。當數據速率提高到每秒幾百兆位以上時(shí)，這種方法是一個(gè)進(jìn)退維谷的問(wèn)題。

CMF濾波器又稱(chēng)共模濾波器，是解決這個(gè)進(jìn)退兩難問(wèn)題的好辦法，不僅支持受最高的數據速率，還是差分信號傳輸技術(shù)如USB、HDMI和MIPI的最佳保護方案。

高速USB 2.0接口利用差分信號方法在兩條數據線(xiàn)上傳輸數據，最高傳輸速率達到480 Mbps。差分信號是指信號不以地線(xiàn)為基準電壓，而是一個(gè)信號以另一個(gè)信號為基準電壓。差分信號在兩條線(xiàn)上傳輸，每條線(xiàn)上的信號相位差180度，這意味著(zhù)必須使用一個(gè)恰當的濾波拓撲，才能正確地濾除無(wú)用頻率，同時(shí)不會(huì )破壞目標差分信號的完整性。

新款CMF濾波器讓目標差分信號通過(guò)濾波器，但不會(huì )破壞差分信號的完整性，同時(shí)還能濾除共模信號。共模濾波器的電感特性為差分信號產(chǎn)生最大7 GHz的寬頻帶，同時(shí)為共模信號產(chǎn)生小于100 MHz的窄頻帶。

一個(gè)理想的共模濾波器可有選擇地抑制共模信號，同時(shí)放行差分信號，而不會(huì )對差分信號有任何影響。



差分模式的電流方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性相反，磁場(chǎng)被相互抵消，在這種情況下，經(jīng)過(guò)CMF濾波器的信號沒(méi)有遇到任何阻抗，更談不上信號衰減問(wèn)題。



共模信號的電流向同一個(gè)方向流動(dòng)，在濾波器上產(chǎn)生一個(gè)同相磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相互疊加。結果，軛流圈對于共模信號是一個(gè)很大的阻抗，因此會(huì )降低共模信號的完整性。

SCC21標準描述了共模衰減的基本特性，如下圖所示:






USB 480 Mbps信號可產(chǎn)生240 MHz基頻 。因為該信號本身是方波，我們不難估算出傳送信號所需的帶寬。利用傅利葉級數逼近算法，最后所需帶寬大約是基頻的三倍。因此，差分信號傳輸至少需要720 MHz的帶寬。從SCC21標準的共模濾波圖中不難看出，為了讓三次諧波通過(guò)濾波器，部分符合的要求的頻率被濾除。

我們對一個(gè)內置意法半導體的ECMF濾波器的USB接口進(jìn)行測試，從USB 480Mb/s的眼狀圖中可以看出，該接口設計100%符合USB高速數據傳輸標準，同時(shí)信號衰減度測量值在900MHz時(shí)達到30db。

這個(gè)原理還適用于更高速度的接口，例如，MIPI 或HDMI/MHL接口。



上圖顯示的測試結果與在USB 2.0上所做的測試完全相同，現在，我們在數據傳輸速率更高的接口如HDMI720p上再做一次測試。

下圖是一個(gè)MIPI接口的諧波測量結果，濾波器放行的MIPI信號的最高頻率800Mhz(200Mhz 時(shí)鐘信號的四次諧波) ，同時(shí)濾除900Mhz到 2.2Ghz的噪聲。



鑒于共模濾波器支持高達千兆位級（Gb/s）的數據速率，同時(shí)可抑制高達千兆赫茲（GHz）的共模噪聲，我們得出結論，共模濾波器是差分信號傳輸技術(shù)的最佳濾波解決方案。

濾除EMI/RFI噪聲很重要，防止ESD損壞甚至損毀內部電路同樣也很重要。顯然，前述的所有接口都安裝在外部端口內，當用戶(hù)插入或拔除插頭時(shí)，ESD事件很容易損壞這些接口。通常情況下，把CMF濾波器與附加的外部器件如保護型芯片配合使用，可以有效防止主芯片被擊穿，如下圖所示(15kV接觸放電電壓在芯片氧化層產(chǎn)生的熔點(diǎn))。





意法半導體的新款ECMF濾波器在同一顆芯片上整合了ESD保護電路，如下圖所示：

像意法半導體的ECMF一樣，集成低電容ESD保護電路的共模濾波器能夠為高速數據接口提供完美且安全的ESD防護功能，使最終產(chǎn)品設計達到要求最嚴格的IEC61000-4-2半導體元器件15kV空氣放電和8kV接觸放電標準。


談到ESD保護問(wèn)題，有一個(gè)重要因素需要注意，當施加靜電放電脈沖時(shí)，直接連在保護電路后面的被保護芯片不能接受過(guò)高的電壓，這個(gè)參數被稱(chēng)為鉗位電壓。



為了評估不同的共模濾波器拓撲，測量ESD保護性能，我們圍繞鉗位電壓值，進(jìn)行了幾次ESD測試。下面的圖示描述了測試過(guò)程。我們使用一支靜電槍對被測器件進(jìn)行8kV接觸放電測試，同時(shí)在CMF濾波器后面連接示波儀捕捉電壓波形變化。

這種實(shí)驗方法可精確地模擬在一次ESD靜電放電事件后印刷電路板所承受的電壓值。在這些條件下，在8kV靜電放電后，輸出電壓測量值為50V，這是目前最低的鉗位電壓，因此是ECMF當前市場(chǎng)上最安全的CMF濾波器+TVS瞬變電壓抑制解決方案。



為使用共模濾波器獲得最佳的RFI/EMI噪聲衰減度，設計人員必須參考幾個(gè)重要參數，其中帶寬是一個(gè)至關(guān)重要的參數。這個(gè)數值是對諧波頻率的估算結果，對應濾波器準許通過(guò)的最大信號頻率。傳送1 GHz信號的三次諧波至少需要3-4 GHz的帶寬，這是避免數據完整性被破壞的一個(gè)要素。

下表是ECMF濾波器與市場(chǎng)上其它品牌濾波器的帶寬比較表。 我們假設帶寬是在SDD21參數的最大衰減度-3db下取得的。

解決方案1和2表明，在一個(gè)LTTC結構內增加變阻器，將會(huì )提高濾波器固有電容，導致帶寬降低。雖然硅技術(shù)可以提升性能，但是，通過(guò)比較解決方案3和4，我們發(fā)現意法半導體的單片解決的性能優(yōu)于雙片解決方案（解決方案3）。

除比較濾波性能外，我們還需比較ESD保護性能。通過(guò)測量不同解決方案的鉗位電壓值，設計人員可評估并找出最適合保護整個(gè)系統的達到IEC安全要求的技術(shù)和拓撲。

為了更好地評估比較內置變阻器的LTTC濾波器的性能和在印刷電路板上外接齊納二極管的LTTC濾波器的性能，我們又做了幾項ESD測試。





紅色測量值表示外接齊納二極管的LTTC共模濾波器。在施加一次8kV接觸靜電放電脈沖后，鉗位電壓上升到250V，幾乎是內置TVS保護二極管的硅濾波器解決方案的5倍。

藍色測量結果代表內置變阻器的LTTC共模濾波器。因為集成在濾波器內部，寄生電容值被降低，該濾波器的鉗位電壓較紅色測量數值明顯改進(jìn)。但是，鉗位電壓上還是上升到150V，依然是意法半導體的內置TVS保護二極管的單片共模濾波器的3倍。

便攜應用設計人員最關(guān)心的問(wèn)題是減少元器件的數量，優(yōu)化印刷電路板的空間和系統成本。在這個(gè)方面，集成技術(shù)給設計人員帶來(lái)多個(gè)好處，促使設計人員在設計中選擇共模濾波器，從而推動(dòng)新的共模濾波器發(fā)展。正前文所述，因為集成技術(shù)抑制寄生電感，使數據帶寬和衰減度都得到提升，所以，通過(guò)在一顆芯片上集成多個(gè)功能，共模濾波器的ESD和濾波性能均大幅提升。事實(shí)上，保護二極管被集成到濾波器結構內，有助于簡(jiǎn)化系統設計，減少印刷電路板上的連接線(xiàn)；因此，沒(méi)有寄生電感影響濾波抑制效果和保護性能。

從優(yōu)化電路板空間角度考慮，集成技術(shù)是必選技術(shù)。內置保護器件的共模濾波器大幅縮減印刷電路板空間，同時(shí)減少元器件的數量。下圖是一個(gè)外接兩個(gè)保護芯片（采用0402封裝的TVS二極管）的雙線(xiàn)LTTC共模濾波器與實(shí)現同一功能的意法半導體單片ECMF濾波器的比較圖。

基于LTTC濾波器的解決方案在印刷電路板上占用大約4.5mm2的空間，而ESD保護濾波二合一芯片CMF占板僅為2.8mm2，節省印刷電路板空間40%?？紤]到元器件的間隙，意法半導體解決的優(yōu)勢就更加明顯，節省空間超過(guò)50%。

此外，這個(gè)采用意法半導體的CMF濾波器的設計范例還能使元器件數量節省70%。

這個(gè)內置保護芯片的新一代共模濾波器為設計人員帶來(lái)多重好處。除特別適合在高速差分信號應用中濾除擾動(dòng)和抑制噪聲外，新產(chǎn)品還特別適合加強EMC抗干擾性能，大幅度縮減印刷電路板上的元器件數量，最終縮減印刷電路板的面積。

意法半導體的內置ESD保護芯片的新一代CMF濾波器共有兩款產(chǎn)品：雙線(xiàn) ECMF02-2AMX6 和四線(xiàn)ECMF04-4AMX12，這兩款產(chǎn)品都采用塑料通孔封裝，封裝面積分別為1.7mm x 1.6 mm和1.5 mm x 3.3mm。針對希望設計外觀(guān)尺寸更小的便攜產(chǎn)品設計人員，意法半導體還推出了WCSP封裝的CMF濾波器。