集成無(wú)源和有源器件提高移動(dòng)電話(huà)性能

優(yōu)越的電氣性能
諸如蜂窩電話(huà)等移動(dòng)設備都具有數據或音頻接口連接外部器件，如麥克風(fēng)、音樂(lè )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(lái)源和引入點(diǎn)，必須完全抑制這些干擾。

圖1 IPAD電路與無(wú)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(jīng)被廣泛應用來(lái)實(shí)現ESD保護和EMI濾波功能。從提高性能的觀(guān)點(diǎn)以及考慮到節省空間的發(fā)展趨勢看，現在這種方案在很大程度上不宜繼續采用。
通過(guò)集成EMI低通濾波器，IPAD技術(shù)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(guò)EMC標準。圖1是EMIF系列產(chǎn)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(xiàn)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(xié)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(shù)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(shí)，器件的輸出電壓減小為10V。

說(shuō)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(shí)現這兩個(gè)功能而設計的雙齊納單元結構(見(jiàn)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(chǎng)合，特別是使用倒裝芯片封裝時(shí)。
顯然IPAD技術(shù)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(guò)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(chǎn)品集成以前在分立器件中采用的是無(wú)源陣列和網(wǎng)絡(luò )。與標準分立器件相比，估計節省尺寸50%~80%。因此這一技術(shù)對于同時(shí)考慮電氣性能和尺寸的設計者非常有吸引力。
用IPAD技術(shù)和分立器件方案實(shí)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(shù)，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(shù)，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(gè)引線(xiàn)的0.40nH小很多。這種減小寄生電感對濾波性能的作用見(jiàn)圖3。衰減增益與SOT-323封裝比較約為15%。
圖3還說(shuō)明，SOT-23封裝的寄生電感值為每個(gè)引線(xiàn)0.55nH時(shí)濾波性能在800MHz時(shí)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(shí)例
SIM卡接口
SIM卡接口(Subscriber Identify Module --- 用戶(hù)識別模塊)是一個(gè)通常用于移動(dòng)電話(huà)中的可移動(dòng)CPU加上存儲器的模塊。這種存儲卡由用戶(hù)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(xiàn)傳輸的RF信號下。
為了避免由于ESD或通過(guò)SIM卡座引入的有害射頻信號而引起的損壞，移動(dòng)電話(huà)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(gè)數據線(xiàn)上的RF信號：RESET(復位)、 CLOCK(時(shí)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(shù)實(shí)現連線(xiàn)阻抗匹配。
連線(xiàn)電容可以按GSM11.1x標準調節下降時(shí)間和上升時(shí)間，不超過(guò)50ns。
除了濾波作用，ESD保護功能分成互補的兩級(見(jiàn)圖2)。ESD浪涌被第一級S1鉗位，然后通過(guò)電阻R將保持的電壓施加到第二級S2。這種對稱(chēng)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(dòng)態(tài)電阻，Ip是ESD峰值電流。
假設二極管的動(dòng)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(shí)，計算結果Voutput=8.4V。因此當過(guò)壓出現時(shí)，這一電壓保持在安全范圍，充分說(shuō)明IPAD技術(shù)的良好性能。
移動(dòng)電話(huà)中的USB連接
USB正在成為一種將移動(dòng)電話(huà)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(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，比串口快100倍。這種數據交換協(xié)議還可以自動(dòng)檢測到連接的外設而不需要關(guān)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(guò)簡(jiǎn)單的接觸有可能產(chǎn)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(wú)線(xiàn)應用時(shí)，USB連接器是RF信號回路非常危險的引入點(diǎn)，它有可能破壞USB集線(xiàn)器。這種RF影響必須通過(guò)EMI濾波器抑制，以便符合FCC的15章節或CISPR的22條的規定。
IPAD技術(shù)同時(shí)滿(mǎn)足USB1.1指標關(guān)于USB的I/O線(xiàn)對EMI濾波以及連線(xiàn)的要求。除了集成EMI濾波、連線(xiàn)負載、上拉電阻以外，IPAD技術(shù)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(dòng)電話(huà)實(shí)現的原理

圖4是電路實(shí)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，倒裝芯片封裝可節省40%的電路板空間，并具有較高的濾波特性。
USB連線(xiàn)終端負載可以通過(guò)串聯(lián)電阻到數據線(xiàn)來(lái)實(shí)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(xiàn)需要上拉電阻來(lái)識別設備是全速還是低速設備。使用IPAD技術(shù)，這些電阻集成在硅片上，滿(mǎn)足USB1.1指標中5%精度的要求。
在這個(gè)例子中，低通濾波器由串聯(lián)電阻和與I/O線(xiàn)并聯(lián)的雙鉗位二極管組成。這一結構中，RC濾波網(wǎng)絡(luò )在1GHz時(shí)的頻率衰減為-25dB。
除了輻射EMI功能，上面例子中的電路通過(guò)了在每個(gè)I/O數據線(xiàn)上放置ESD雙向二極管而進(jìn)行的IEC61000-4-5的4級測試。
USB應用的設計對滿(mǎn)足ESD和EMI濾波標準的要求非常關(guān)鍵。采用倒裝芯片封裝的IPAD可以使手機具有USB連接，并且滿(mǎn)足相應的標準，提供全集成方案，同時(shí)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(shù)對于尋求良好的電氣性能和節約電路板尺寸的設計者來(lái)說(shuō)，有非常大的吸引力?！?曹譯)