為便攜應用選擇適合的集成EMI濾波及ESD保護方案

    如今的手機等便攜設備的尺寸日趨小巧纖薄，同時又在集成越來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、互聯網接入、電視接收等，讓便攜設備的數據率及時鐘頻率越來越高。這樣，便攜設備面臨著諸多潛在的電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)源的風險，如開關負載、電源電壓波動、短路、電感開關、雷電、開關電源、RF放大器和功率放大器、帶狀線纜與視頻顯示屏的互連及時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、麥克風、相機、顯示屏互連等多個位置，為便攜設備選擇適合的EMI/RFI濾波方案。

常見EMI/RFI濾波器類型及濾波要求
    對于EMI/RFI濾波器而言，從架構上看，最常見的架構是“Pi”濾波器，顧名思義，這種架構類似于希臘字母“π”。常見的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(見圖1a)也稱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(見圖1b)也稱作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型，即形狀象梯子的梯形濾波器，其中最常見的是LC(電感電容)梯形濾波器(見圖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，尺寸和成本會成為問題，導致物料成本更高、封裝更大。

 圖1：常見EMI/RFI濾波器類型的結構示意圖：a) π型RC；b) π型LC；c) LC梯形

    這幾種類型的EMI/RFI濾波器中，從頻幅響應比較來看，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以上頻率進行濾波，這一般意味著最低30 dB的信號衰減。隨著手機中功能的增多以及時鐘與數據信號的分類，基準頻率正在降低。許多便攜電子產品制造商要求在400 MHz頻率進行EMI/RFI濾波，未來可能還會要求在更低頻率下進行EMI/RFI濾波。

集成EMI濾波與ESD保護
    在便攜產品中，濾波器一般位于鄰近連接端口、麥克風和揚聲器的位置。而恰好這些位置也可能面臨靜電放電(ESD)事件。以音頻線路為例，如果采用分立元件方案來分別進行EMI濾波和ESD保護，就面臨著執行這兩項功能所需要的元器件數量問題。其中，就EMI濾波器而言，如果使用1個分立的π型LC濾波器，就需要2個表面貼裝電容和1個表面貼裝電感。為了提供ESD保護，還需要額外增加某種類型的表面貼裝瞬態電壓抑制器(TVS)二極管。這樣，1條音頻線路的EMI濾波和ESD保護就需要4個獨立元件，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題。如果不止1條音頻線路，那采用分立元件方案就更不切實際了。

    因此，最簡單的方案就是在同一個元件中集成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，改進工藝技術也可大幅提升集成型電感的質量。通過將這些集成型元器件集成到硅片上，原來需要多個獨立元件的方案，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。

    總的來說，通過高性價比地集成EMI濾波與ESD保護，便攜應用設計人員可以降低成本，減少物料單(BOM)元件數量，并減小電路板占用空間。

針對便攜設備具體應用的EMI濾波+ESD保護方案
    在便攜設備市場，手機占據重要位置。自然地，手機中諸多位置都會應用到集成ESD保護的濾波器。就手機應用而言，常用的濾波器除了LC和RC濾波器，還有共模扼流圈EMI濾波器，這種濾波器幫助減少寄生電感，提供更出色的共模濾波。這些手機濾波器的類型帶寬頻譜見圖3。

圖3：手機濾波器類型帶寬頻譜。

    不同的手機應用需要采用不同的濾波器。一般而言，應用的數據率越高，濾波器線路的總電容就要越小。對于音頻線路等數據率相對較低的手機應用而言，EMI濾波器的標準電容在幾百個pF范圍內，就足以提供優秀的濾波性能和最小的信號干擾。

    其中，在揚聲器、麥克風、音頻插孔/耳機等音頻應用中，可以選用LC或RC類型的濾波器，如安森美半導體的NUF2441FCT1G、NUF2450MUT1G、NUF2114MNT1G、NUF2116MNT1G和NUF4220MNT1G等，這些濾波器均集成了ESD保護功能，保護2條至4條音頻線路，二極管電容在數十pF到240 pF之間。以NUF2441FC為例，這LC濾波器為2條音頻線路提供EMI濾波與IEC61000-4-2第4級 ESD保護功能，采用倒裝芯片(flip-chip)封裝，以單顆IC替代2顆電感、4顆電容再加4顆TVS二極管，幫助節省成本及減小電路板占用空間。NUF2450MUT1G也是一款雙線式LC型EMI濾波及ESD保護器件，在800 MHz至5.0 GHz頻率范圍下提供大于-30 dB的衰減；這器件采用節省空間的uDFN 1.2×1.8×0.5 mm的超小封裝，提供20 MHz的截止頻率與極小的線路阻抗，非常適合需要低帶通衰減的音頻應用。NUF2114MNT1G則是一款雙線式RC型EMI濾波及ESD保護器件，采用DFN8封裝，在900 MHz至3.0 GHz頻率下提供大于-30 dB的衰減，同樣以單顆IC替代多達10顆分立元件，幫助降低成本及節省空間。

    在手機應用中，顯示屏和相機等數據線路的帶寬比音頻更高，可以采用RC濾波器，如安森美半導體采用uDFN封裝的NUF40xx、NUF60xx和NUF80xx等系列器件。此外，安森美半導體還為數據線路濾波應用推出采用極小型WDFN/uDFN封裝的X3系列RC濾波器，包括NUF4310MN和NUF4110MN。這新系列的4通道RC濾波器在2.5 V電壓時的線路電容僅為17 pF，集成了40個分立元件，提供極小占位面積(1.0×1.4×0.75 mm/1.0×1.6×0.75 mm)、極低阻抗(100 Ω)和業界領先的ESD保護(IEC61000-4-2第4級)，支持高達120 Mbps帶寬，適合手機、移動互連設備(MID)、便攜式媒體播放器(PMP)、數碼相機、膝上型電腦或上網本等便攜產品的高分辨率相機模塊和顯示屏等應用。

    在上述手機高分辨率顯示屏和相機接口等數據應用中，還可以采用高速LC濾波器，如安森美半導體的NUF2900MN。與傳統RC濾波器相比，高速LC濾波器的截止頻率更高、寬頻衰減更大、插入損耗更低。如NUF2900MN的典型截止頻率為350 MHz，在800 MHz至6.0 GHz頻率時提供大于-30 dB的衰減，插入損耗性能也更具優勢，參見圖4。

圖4：典型RC EMI濾波器與高速LC EMI濾波器(NUF2900)的響應性能比較。

    值得一提的是，手機中的高帶寬應用越來越多，顯示屏尺寸更大且分辨率更高，而且空間受限，推動并行數據轉向串行數據，解決方案就是采用低壓差分信令(LVDS)來串行MDDI、MPPI、USB 2.0和uSerDes等數據，相應地采用共模扼流圈(CMC) EMI/RFI濾波器，通過高帶寬差分信號，同時濾除不需要的共模EMI/RFI信號。在這方面，可以采用安森美半導體的NUC2401MN高速串行數據濾波器。這是業界首款集成超低電容(0.8 pF) ESD保護和共模濾波技術的CMC濾波器，采用小型2.0×2.2 mm DFN封裝，單顆元件適合USB2.0(480 Mbps)、IEEE1394(400 Mbps)、MDDI(最高550 Mbps)、MIPI(最高1.0 Gbps)和HDMI 1.2(每通道最高1.32 Gbps)等多種高速設計，為這些應用消除共模噪聲，提供純凈的數據流。

圖5：帶超低電容ESD保護的集成CMC濾波器NUF2401MN用于USB2.0等高速應用。

    值得一提的是，NUC2401MN與電容同樣低于1 pF的硅競爭器件相比，提供更優異的ESD鉗位性能，非常適合高速數據線路的EMI濾波及ESD保護應用。

總結
    手機等便攜設備隨著數據率及時鐘頻率的提高，越來越需要高性能的EMI濾波與ESD保護方案。安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商，提供新的集成型EMI濾波器，在提供優異的EMI/RFI濾波性能的同時，還提供符合IEC61000-4-2 4級標準的ESD保護功能，以單顆IC替代10顆甚至數十顆分立元件，非常適合手機等便攜應用中的音頻及數據線路應用。■