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便攜應用選擇適當集成EMI濾波及ESD保護方案
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時(shí)間：2014-03-12
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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如今的手機等便攜設備的尺寸日趨小巧纖薄，同時(shí)又在集成越來(lái)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、高速數據接口、互聯(lián)網(wǎng)接入、電視接收等，讓便攜設備的數據率及時(shí)鐘頻率越來(lái)越高。這樣，便攜設備面臨著(zhù)諸多潛在的電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)源的風(fēng)險，如開(kāi)關(guān)負載、電源電壓波動(dòng)、短路、電感開(kāi)關(guān)、雷電、開(kāi)關(guān)電源、RF放大器和功率放大器、帶狀線(xiàn)纜與視頻顯示屏的互連及時(shí)鐘信號的高頻噪聲等。因此，設計人員需要針對音頻插孔/耳機、USB端口、揚聲器、鍵盤(pán)、麥克風(fēng)、相機、顯示屏互連等多個(gè)位置，為便攜設備選擇適合的EMI/RFI濾波方案。
常見(jiàn)EMI/RFI濾波器類(lèi)型及濾波要求
對于EMI/RFI濾波器而言，從架構上看，最常見(jiàn)的架構是“Pi”濾波器，顧名思義，這種架構類(lèi)似于希臘字母“π”。常見(jiàn)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(jiàn)圖1a)也稱(chēng)RC-π型濾波器或π型RC濾波器，用于音頻及低速數據濾波應用；C-L-C濾波器(見(jiàn)圖1b)也稱(chēng)作LC-π型濾波器或π型LC濾波器，用于音頻、低速及高速數據濾波應用。
π型濾波器還有一種擴展類(lèi)型，即形狀象梯子的梯形濾波器，其中最常見(jiàn)的是LC(電感電容)梯形濾波器(見(jiàn)圖1c)，這種濾波器承受更高的數據率，但在濾波元件(電感或電容)增多時(shí)，尺寸和成本會(huì )成為問(wèn)題，導致物料成本更高、封裝更大。
圖1：常見(jiàn)EMI/RFI濾波器類(lèi)型的結構示意圖：a) π型RC；b) π型LC；c) LC梯形。
這幾種類(lèi)型的EMI/RFI濾波器中，從頻幅響應比較來(lái)看，π型RC濾波器的躍遷帶(transition band)最寬，轉折率(rolloff)最低；π型LC濾波器的轉折率較低，但躍遷帶適中；梯形濾波器則能實(shí)現極高的轉折率及較窄的躍遷帶寬。
就EMI/RFI濾波而言，以手機應用為例，傳統上的一個(gè)基準頻率是800 MHz，因為800 MHz接近手機所用頻段的起始頻率。大多數情況下，手機設計工程師要求在800 MHz以上頻率進(jìn)行濾波，這一般意味著(zhù)最低30 dB的信號衰減。隨著(zhù)手機中功能的增多以及時(shí)鐘與數據信號的分類(lèi)，基準頻率正在降低。許多便攜電子產(chǎn)品制造商要求在400 MHz頻率進(jìn)行EMI/RFI濾波，未來(lái)可能還會(huì )要求在更低頻率下進(jìn)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(xiàn)路為例，如果采用分立元件方案來(lái)分別進(jìn)行EMI濾波和ESD保護，就面臨著(zhù)執行這兩項功能所需要的元器件數量問(wèn)題。其中，就EMI濾波器而言，如果使用1個(gè)分立的π型LC濾波器，就需要2個(gè)表面貼裝電容和1個(gè)表面貼裝電感。為了提供ESD保護，還需要額外增加某種類(lèi)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(xiàn)路的EMI濾波和ESD保護就需要4個(gè)獨立元件，這里還未提及這些元件所需占用的便攜設彌足珍貴的空間問(wèn)題。如果不止1條音頻線(xiàn)路，那采用分立元件方案就更不切實(shí)際了。
因此，最簡(jiǎn)單的方案就是在同一個(gè)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(jìn)工藝技術(shù)也可大幅提升集成型電感的質(zhì)量。通過(guò)將這些集成型元器件集成到硅片上，原來(lái)需要多個(gè)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(jiàn)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標準詳細規定了系統級測試條件及保護等級，這等級分為4種，便攜應用通常需要的是第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，便攜設備需要能夠承受住ESD事件沖擊。
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