新型低电容EMI滤波器为手机带来更强抗干扰性能

1、    新型低电容EMI滤波器为手机带来更强抗干扰性能随着手机中LCD及相机的视频分辨率提高，数据工作的频率将超过40MHz，对抑制无线EMI与ESD而言，传统的滤波器方案已达到它们的技术极限。为适应数据速率的增加且不中断视频信号，设计者可以选择本文讨论的新型低电容、高滤波性能EMI滤波器。随着无线市场的继续发展，下一代手机将拥有更多的功能特性，例如带多个彩屏(每部手机至少有两个彩屏)以及百万像素以上的高分辨率相机等。图1：LCD模块周围的噪声与ESD传输路径。仍旧受紧凑设计随着手机中LCD及相机的视频分辨率提高，数据工作的频率将超过40MHz，对抑制无

2、线EMI与ESD而言，传统的滤波器方案已达到它们的技术极限。为适应数据速率的增加且不中断视频信号，设计者可以选择本文讨论的新型低电容、高滤波性能EMI滤波器。随着无线市场的继续发展，下一代手机将拥有更多的功能特性，例如带多个彩屏(每部手机至少有两个彩屏)以及百万像素以上的高分辨率相机等。图1：LCD模块周围的噪声与ESD传输路径。仍旧受紧凑设计趋势的推动，实现高分辨率LCD及相机将使设计者面临多种挑战，其中一个主要设计考虑便是这些新模块对电磁干扰(EMI)的敏感性。对于目前流行的许多手机(尤其是翻盖型手机)来说，彩色LCD或相机CMOS传感器通过连接在手机(上下)两个主要部分之间的柔性或长走线

3、PCB与基带控制器相连。一方面，该连接线会受到由天线辐射出的寄生GSM/CDMA频率的干扰。另一方面，由于高分辨率CMOS传感器及TFT模块的引入，数字信号工作于更高的频率上，从而使该连接线会像天线一样产生EMI/RFI或可能造成ESD危险事件。总之，在上述两种情况下，所有这些EMI及ESD干扰均会破坏视频信号的完整性，甚至损坏基带控制器电路。为抑制这些EMI辐射并保证正常的数据传输，可考虑实现几种滤波器解决方案，这可通过使用分立阻容滤波器或集成的EMI滤波器来实现。图2：GSM衰减频率对应滤波电容。1 EMI及ESD噪声抑制方法如果考虑到板空间、手机工作频率上的高滤波性能以及保存信号完整性等

4、设计约束，目前已知的解决方案正在达到其技术极限。分立滤波器不能为解决方案提供任何空间节省，而且还只能提供针对窄带衰减的有限滤波性能，故大多数设计者目前都在考虑集成的EMI滤波器。在配有高分辨率LCD及嵌入式相机的手机中，信号是通过特定频率(取决于分辨率)从基带ASIC被传送至LCD及内嵌的相机上。视频分辨率越高，数据工作的频率亦越高。迄今为止，一般数据工作在大约6至20MHz的频率上，且分辨率的竞赛还会促使相机模块制造商继续将此频率提高至40-60MHz。图3：新型滤波器单元结构(串联电阻为100欧姆，线电容为17pF)。为适应数据速率的增加且不中断视频信号，设计者必须选择考虑了理论建议的低电

5、容的滤波器，即：滤波器截止频率(1/2RC)必须大约为时钟频率的5倍。在目前的无线终端中，对于30至60万像素的相机模块来说，时钟频率大约介于6至12MHz之间。故建议将滤波器(上下)截止频率选择在30至50MHz范围内。很多滤波器解决方案都遵循此理论建议，但随着分辨率的提高以及时钟频率超过40MHz，滤波器截止频率必须处于200MHz范围内。因此，可预见一些滤波器解决方案正在达到它们的极限。表1给出了几种滤波器电容值与截止频率的对照，以及时钟兼容性。这表明低电容滤波器是最适合高频率、高速数据信号传输的解决方案。不过设计者知道，在滤波电容值与GSM/CDMA频率上的衰减特性之间存在着无法解决的

6、折衷问题。低电容结构会影响滤波器的高频性能，且目前大多数低电容滤波器都不能在900MHz频率上提供优于-25dB的衰减性能。图2显示了EMI滤波电容对GSM频率衰减的影响。图4：新型低电容EMI滤波器S21参数测量。2 性能改进后的低电容EMI滤波器为满足以低电容滤波器实现但同时保持高滤波性能这种矛盾的要求，意法半导体公司开发出在900MHz频率上具有高频衰减特性并采用超低电容结构的新一代EMI滤波器。这些基于IPAD技术(集成有源、无源器件)的新型EMI滤波器，采用了带集成ESD保护的标准PI滤波器结构。图3表示一种带串联电阻及电容的基本滤波器单元配置。这种新型低电容结构用来提供200MHz

7、范围内的截止频率，可支持时钟频率超过40MHz的数据速率。尽管二极管电容已被极大地减少至8.5pF，但它能提供出色的滤波性能，即在大约900MHz的频率范围内衰减特性优于-35dB。图4显示采用此滤波器基本单元架构的S21参数指标。图中显示在900MHz频率上具有35dB的衰减特性，这是一种通过17pF线电容集成EMI滤波器来达到的空前性能。图5：分别通过高、低电容滤波器的40MHz数据传输测试结果比较。除滤波功能外，集成输入齐纳二极管还能抑制高达15kV的空中放电ESD冲击，达到了IEC61000-4-2第4级工业标准所要求的性能水平。3 高速数据兼容性为了不扰乱视频信号，新型低电容滤波器在

8、设计时采用了经过优化的线电容值，以支持时钟频率高于40MHz的芯片组。这种结构对数据信号上升、下降沿只有很小的影响，且器件输入、输出间几乎没有什么延时。用最大2.8V、1ns的信号对输入Rt(10-90%上升沿)及 Ft(10-90%下降沿)进行仿真，结果表明，由滤波器引起的延时(输出与输入信号之差)不超过1ns。可以肯定，即使对于高分辨率LCD或相机应用，也能完全保持数据的完整性。图5显示了工作于40MHz频率上的3V视频信号分别通过高、低电容滤波器的传输情况比较。可以发现，高电容结构所引起的延时是低电容结构的5至6倍。在这种情况下，信号输出电压不能被正确地接收。表1：截止频率及时钟信号兼容性对应滤波器解决方案。4 高集成解决方案与分立设计相比，使用设计成带层叠凸点的倒装芯片封装型集成EMI滤波器，可简化PCB布局并节省高达80%的板面积。结果表明，线集成率(PCB面积/线数)大约为0.6。这意味着这些新型滤波器可以每线占去0.6mm2的PCB面积来提供EMI功能及ESD保护。建议该新型滤波器系列采用4、6及8条“PI”线配置来提供设计灵活性并满足大多数高速数据线设计要求。其PCB面积占用分别为2.4mm2、3.7mm2及5.0mm2，故几乎可完全采用传统的SOT323塑料封装。意法半导体公司的