手機、相機、液晶顯示屏抗電磁干擾特性的實(shí)現

隨著(zhù)手機中LCD及相機的視頻分辨率越高，數據工作的頻率將超過(guò)40MHz，對抑制無(wú)線(xiàn)EMI與ESD而言，傳統的濾波器方案已達到它們的技術(shù)極限。為適應數據速率的增加且不中斷視頻信號，設計者可以選擇本文討論的新型低電容、高濾波性能EMI濾波器。

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)的繼續發(fā)展，下一代手機將擁有更多的功能特性，例如帶多個(gè)彩屏（每部手機至少有兩個(gè)彩屏）以及百萬(wàn)像素以上的高分辨率相機等。 
 

                              圖1：LCD模塊周?chē)脑肼暸cESD傳輸路徑
 
仍舊受緊湊設計趨勢的推動(dòng)，實(shí)現高分辨率LCD及相機將使設計者面臨多種挑戰，其中一個(gè)主要設計考慮便是這些新模塊對電磁干擾（EMI）的敏感性。 對于目前流行的許多手機（尤其是翻蓋型手機）來(lái)說(shuō)，彩色LCD或相機CMOS傳感器通過(guò)連接在手機（上下）兩個(gè)主要部分之間的柔性或長(cháng)走線(xiàn)PCB與基帶控制器相連。 一方面，該連接線(xiàn)會(huì )受到由天線(xiàn)輻射出的寄生GSM/CDMA頻率的干擾。另一方面，由于高分辨率CMOS傳感器及TFT模塊的引入，數字信號工作于更高的頻率上，從而使該連接線(xiàn)會(huì )像天線(xiàn)一樣產(chǎn)生EMI/RFI或可能造成ESD危險事件?？傊?，在上述兩種情況下，所有這些EMI及ESD干擾均會(huì )破壞視頻信號的完整性，甚至損壞基帶控制器電路。

為抑制這些EMI輻射并保證正常的數據傳輸，可考慮實(shí)現幾種濾波器解決方案，這可通過(guò)使用分立阻容濾波器或集成的EMI濾波器來(lái)實(shí)現。

                              圖2：GSM衰減頻率對應濾波電容 
 
EMI及ESD噪聲抑制方法

如果考慮到板空間、手機工作頻率上的高濾波性能以及保存信號完整性等設計約束，目前已知的解決方案正在達到其技術(shù)極限。

分立濾波器不能為解決方案提供任何空間節省，而且還只能提供針對窄帶衰減的有限濾波性能，故大多數設計者目前都在考慮集成的EMI濾波器。

在配有高分辨率LCD及嵌入式相機的手機中，信號是通過(guò)特定頻率（取決于分辨率）從基帶ASIC被傳送至LCD及內嵌的相機上。

視頻分辨率越高，數據工作的頻率亦越高。迄今為止，一般數據工作在大約6至20MHz的頻率上，且分辨率的競賽還會(huì )促使相機模塊制造商繼續將此頻率提高至40-60MHz。 
 

                  圖3：新型濾波器單元結構（串聯(lián)電阻為100歐姆，線(xiàn)電容為17pF） 
 
為適應數據速率的增加且不中斷視頻信號，設計者必須選擇考慮了理論建議的低電容的濾波器，即：濾波器截止頻率（1/2πRC）必須大約為時(shí)鐘頻率的5倍。

在目前的無(wú)線(xiàn)終端中，對于30至60萬(wàn)像素的相機模塊來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘頻率大約介于6至12MHz之間。故建議將濾波器（上下）截止頻率選擇在30至50MHz范圍內。很多濾波器解決方案都遵循此理論建議，但隨著(zhù)分辨率的提高以及時(shí)鐘頻率超過(guò)40MHz，濾波器截止頻率必須處于200MHz范圍內。因此，可預見(jiàn)一些濾波器解決方案正在達到它們的極限。

表1給出了幾種濾波器電容值與截止頻率的對照，以及時(shí)鐘兼容性。這表明低電容濾波器是最適合高頻率、高速數據信號傳輸的解決方案。

不過(guò)設計者知道，在濾波電容值與GSM/CDMA頻率上的衰減特性之間存在著(zhù)無(wú)法解決的折衷問(wèn)題。低電容結構會(huì )影響濾波器的高頻性能，且目前大多數低電容濾波器都不能在900MHz頻率上提供優(yōu)于-25dB的衰減性能。圖2顯示了EMI濾波電容對GSM頻率衰減的影響。 
 

                              圖4：新型低電容EMI濾波器S21參數測量
 
除對濾波性能有影響外，低電容濾波器還會(huì )影響ESD性能?？紤]到較低的二極管電容可顯著(zhù)減少ESD浪涌能力，故在良好衰減、ESD性能及低電容濾波器結構之間找到最佳折衷極具挑戰性。

性能改進(jìn)后的低電容EMI濾波器

為滿(mǎn)足以低電容濾波器實(shí)現但同時(shí)保持高濾波性能這種矛盾的要求，意法半導體公司開(kāi)發(fā)出在900MHz頻率上具有高頻衰減特性并采用超低電容結構的新一代EMI濾波器。

這些基于IPAD技術(shù)（集成有源、無(wú)源器件）的新型EMI濾波器，采用了帶集成ESD保護的標準PI濾波器結構。圖3表示一種帶串聯(lián)電阻及電容的基本濾波器單元配置。

這種新型低電容結構用來(lái)提供200MHz范圍內的截止頻率，可支持時(shí)鐘頻率超過(guò)40MHz的數據速率。盡管二極管電容已被極大地減少至8.5pF，但它能提供出色的濾波性能，即在大約900MHz的頻率范圍內衰減特性?xún)?yōu)于-35dB。

圖4顯示采用此濾波器基本單元架構的S21參數指標。圖中顯示在900MHz頻率上具有35dB的衰減特性，這是一種通過(guò)17pF線(xiàn)電容集成EMI濾波器來(lái)達到的空前性能。 
 

                 圖5：分別通過(guò)高、低電容濾波器的40MHz數據傳輸測試結果比較
 
除濾波功能外，集成輸入齊納二極管還能抑制高達15kV的空中放電ESD沖擊，達到了IEC61000-4-2第4級工業(yè)標準所要求的

高速數據兼容性

為了不擾亂視頻信號，新型低電容濾波器在設計時(shí)采用了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的線(xiàn)電容值，以支持時(shí)鐘頻率高于40MHz的芯片組。 這種結構對數據信號上升、下降沿只有很小的影響，且器件輸入、輸出間幾乎沒(méi)有什么延時(shí)。 用最大2.8V、1ns的信號對輸入Rt(10-90%上升沿)及 Ft(10-90%下降沿)進(jìn)行仿真，結果表明，由濾波器引起的延時(shí)(輸出與輸入信號之差)不超過(guò)1ns?？梢钥隙?，即使對于高分辨率LCD或相機應用，也能完全保持數據的完整性。

圖5顯示了工作于40MHz頻率上的3V視頻信號分別通過(guò)高、低電容濾波器的傳輸情況比較?？梢园l(fā)現，高電容結構所引起的延時(shí)是低電容結構的5至6倍。在這種情況下，信號輸出電壓不能被正確地接收。
 
表1：截止頻率及時(shí)鐘信號兼容性對應濾波器解決方案 
 

高集成解決方案

與分立設計相比，使用設計成帶層疊凸點(diǎn)的倒裝芯片封裝型集成EMI濾波器，可簡(jiǎn)化PCB布局并節省高達80%的板面積。 結果表明，線(xiàn)集成率(PCB面積/線(xiàn)數)大約為0.6。這意味著(zhù)這些新型濾波器可以每線(xiàn)占去0.6mm2的PCB面積來(lái)提供EMI功能及ESD保護。

建議該新型濾波器系列采用4、6及8條“PI”線(xiàn)配置來(lái)提供設計靈活性并滿(mǎn)足大多數高速數據線(xiàn)設計要求。其PCB面積占用分別為2.4mm2、3.7mm2及5.0mm2，故幾乎可完全采用傳統的SOT323塑料封裝。 意法半導體公司的新型低電容EMI濾波器支持4、6及8線(xiàn)配置，每一種配置均包含側接有齊納二極管的RC濾波網(wǎng)絡(luò )。100歐姆的串聯(lián)電阻與17pF的線(xiàn)電容值被用來(lái)達到在0.8MHz至2GHz范圍內最小30dB的衰減。器件的低電容意味著(zhù)它們能被用于下一代時(shí)鐘頻率超過(guò)40MHz的LCD顯示器及相機傳感器。