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基于便携设备的集成EMI滤波与ESD保护方案设计

如今的手机等便携设备的尺寸日趋小巧纤薄,同时又在集成越来越多的新功能或新特点,如大年夜尺寸显示屏、高分辨率相机模块、高速数据接口、互联网接入、电视接管等,让便携设备的数据率及时钟频率越来越高。这样,便携设备面临着诸多潜在的电磁滋扰(EMI)/射频滋扰(RFI)源的风险,如开关负载、电源电压颠簸、短路电感开关、雷电、开关电源RF放大年夜器功率放大年夜器、带状线缆与视频显示屏的互连及时钟旌旗灯号的高频噪声等。是以,设计职员必要针对音频插孔/耳机、USB端口、扬声器、键盘、麦克风、相机、显示屏互连等多个位置,为便携设备选择得当的EMI/RFI滤波规划。

常见EMI/RFI滤波器类型及滤波要求

对付EMI/RFI滤波器而言,从架构上看,最常见的架构是“Pi”滤波器,顾名思义,这种架构类似于希腊字母“π”。常见的π型滤波器有两种,分手是C-R-C(电容-电阻-电容)滤波器和C-L-C(电容-电感-电容)滤波器。此中,C-R-C滤波器(见图1a)也称RC-π型滤波器或π型RC滤波器,用于音频及低速数据滤波利用;C-L-C滤波器(见图1b)也称作LC-π型滤波器或π型LC滤波器,用于音频、低速及高速数据滤波利用。

π型滤波器还有一种扩展类型,即外形象梯子的梯形滤波器,此中最常见的是LC(电感电容)梯形滤波器(见图1c),这种滤波器遭遇更高的数据率,但在滤波元件(电感或电容)增多时,尺寸和资源会成为问题,导致物料资源更高、封装更大年夜。

图1:常见EMI/RFI滤波器类型的布局示意图:a) π型RC;b) π型LC;c) LC梯形。

这几种类型的EMI/RFI滤波器中,从频幅相应对照来看,π型RC滤波器的跃迁带(transition band)最宽,迁移改变率(rolloff)最低;π型LC滤波器的迁移改变率较低,但跃迁带适中;梯形滤波器则能实现极高的迁移改变率及较窄的跃迁带宽。

就EMI/RFI滤波而言,以手机利用为例,传统上的一个基准频率是800 MHz,由于800 MHz靠近手机所用频段的肇端频率。大年夜多半环境下,手机设计工程师要求在800 MHz以上频率进行滤波,这一样平常意味着最低30 dB的旌旗灯号衰减。随动手机中功能的增多以及时钟与数据旌旗灯号的分类,基准频率正在低落。许多便携电子产品制造商要求在400 MHz频率进行EMI/RFI滤波,未来可能还会要求在更低频率下进行EMI/RFI滤波。

集成EMI滤波与ESD保护

在便携产品中,滤波器一样平常位于左近连接端口、麦克风和扬声器的位置。而正好这些位置也可能面临静电放电(ESD)事故。以音频线路为例,假如采纳分立元件规划来分手进行EMI滤波和ESD保护,就面临着履行这两项功能所必要的元器件数量问题。此中,就EMI滤波器而言,假如应用1个分立的π型LC滤波器,就必要2个外面贴装电容和1个外面贴装电感。为了供给ESD保护,还必要额外增添某种类型的外面贴装瞬态电压抑制器(TVS二极管。这样,1条音频线路的EMI滤波和ESD保护就必要4个自力元件,这里还未说起这些元件所需占用的便携设弥足贵重的空间问题。假如不止1条音频线路,那采纳分立元件规划就更不切实际了。

是以,最简单的规划便是在同一个元件中集成EMI滤波与ESD保护功能。首先,集成规划中的集成型TVS二极管也供给EMI滤波所需的电容;其次,改进工艺技巧也可大年夜幅提升集成型电感的质量。经由过程将这些集成型元器件集成到硅片上,原本必要多个自力元件的规划,就可以采纳集成型EMI滤波+ESD保护规划(拜见图2)。

图2:集成型EMI滤波+ESD保护规划:a) π型RC;b) π型LC;c) LC梯形。

此中,在ESD保护等级方面,IEC61000-4-2标准具体规定了系统级测试前提及保护等级,这等级分为4种,便携利用平日必要的是第4级保护,即在8 kV打仗放电或15 kV空气放电IEC61000-4-2测试前提下,便携设备必要能够遭遇住ESD事故冲击。

总的来说,经由过程高性价比地集成EMI滤波与ESD保护,便携利用设计职员可以低落资源,削减物料单(BOM)元件数量,并减小电路板占用空间。

针对便携设备详细利用的EMI滤波+ESD保护规划

在便携设备市场,手机盘踞紧张位置。自然地,手机中诸多位置都邑利用到集成ESD保护的滤波器。利市机利用而言,常用的滤波器除了LC和RC滤波器,还有共模扼流圈EMI滤波器,这种滤波器赞助削减寄生电感,供给更出色的共模滤波。这些手机滤波器的类型带宽频谱见图3。

图3:手机滤波器类型带宽频谱。

不合的手机利用必要采纳不合的滤波器。一样平常而言,利用的数据率越高,滤波器线路的总电容就要越小。对付音频线路等数据率相对较低的手机利用而言,EMI滤波器的标准电容在几百个pF范围内,就足以供给优秀的滤波机能和最小的旌旗灯号滋扰。

此中,在扬声器、麦克风、音频插孔/耳机等音频利用中,可以选用LC或RC类型的滤波器,如安森美半导体的NUF2441FCT1G、NUF2450MUT1G、NUF2114MNT1G、NUF2116MNT1G和NUF4220MNT1G等,这些滤波器均集成了ESD保护功能,保护2条至4条音频线路,二极管电容在数十pF到240 pF之间。以NUF2441FC为例,这LC滤波器为2条音频线路供给EMI滤波与IEC61000-4-2第4级 ESD保护功能,采纳倒装芯片(flip-chip)封装,以单颗IC替代2颗电感、4颗电容再加4颗TVS二极管,赞助节省资源及减小电路板占用空间。

NUF2450MUT1G也是一款双线式LC型EMI滤波及ESD保护器件,在800 MHz至5.0 GHz频率范围下供给大年夜于-30 dB的衰减;这器件采纳节省空间的uDFN 1.2×1.8×0.5 mm的超小封装,供给20 MHz的截止频率与极小的线路阻抗,异常得当必要低带通衰减的音频利用。NUF2114MNT1G则是一款双线式RC型EMI滤波及ESD保护器件,采纳DFN8封装,在900 MHz至3.0 GHz频率下供给大年夜于-30 dB的衰减,同样以单颗IC替代多达10颗分立元件,赞助低落资源及节省空间。

在手机利用中,显示屏和相机等数据线路的带宽比音频更高,可以采纳RC滤波器,如安森美半导体采纳uDFN封装的NUF40xx、NUF60xx和NUF80xx等系列器件。此外,安森美半导体还为数据线路滤波利用推出采纳极小型WDFN/uDFN封装的X3系列RC滤波器,包括NUF4310MN和NUF4110MN。这新系列的4通道RC滤波器在2.5 V电压时的线路电容仅为17 pF,集成了40个分立元件,供给极小占位面积(1.0×1.4×0.75 mm/1.0×1.6×0.75 mm)、极低阻抗(100 Ω)和业界领先的ESD保护(IEC61000-4-2第4级),支持高达120 Mbps带宽,得当手机、移动互连设备(MID)、便携式媒体播放器(PMP)、数码相机、膝上型电脑或上网本等便携产品的高分辨率相机模块和显示屏等利用。

在上述手机高分辨率显示屏和相机接口等数据利用中,还可以采纳高速LC滤波器,如安森美半导体的NUF2900MN。与传统RC滤波器比拟,高速LC滤波器的截止频率更高、宽频衰减更大年夜、插入损耗更低。如NUF2900MN的范例截止频率为350 MHz,在800 MHz至6.0 GHz频率时供给大年夜于-30 dB的衰减,插入损耗机能也更具上风,拜见图4。

图4:范例RC EMI滤波器与高速LC EMI滤波器(NUF2900)的相应机能对照。

值得一提的是,手机中的高带宽利用越来越多,显示屏尺寸更大年夜且分辨率更高,而且空间受限,推动并行数据转向串行数据,办理规划便是采纳低压差分信令(LVDS)来串行MDDI、MPPI、USB 2.0和uSerDes等数据,响应地采纳共模扼流圈(CMC) EMI/RFI滤波器,经由过程高带宽差分旌旗灯号,同时滤除不必要的共模EMI/RFI旌旗灯号。在这方面,可以采纳安森美半导体的NUC2401MN高速串行数据滤波器。这是业界首款集成超低电容(0.8 pF) ESD保护和共模滤波技巧的CMC滤波器,采纳小型2.0×2.2 mm DFN封装,单颗元件得当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)等多种高速设计,为这些利用打消共模噪声,供给纯净的数据流。

图5:带超低电容ESD保护的集成CMC滤波器NUF2401MN用于USB2.0等高速利用。

值得一提的是,NUC2401MN与电容同样低于1 pF的硅竞争器件比拟,供给更优良的ESD钳位机能,异常得当高速数据线路的EMI滤波及ESD保护利用。

总结

手机等便携设备跟着数据率及时钟频率的前进,越来越必要高机能的EMI滤波与ESD保护规划。安森美半导体供给新的集成型EMI滤波器,在供给优良的EMI/RFI滤波机能的同时,还供给相符IEC61000-4-2 4级标准的ESD保护功能,以单颗IC替代10颗以致数十颗分立元件,异常得当手机等便携利用中的音频及数据线路利用。

滥觞;手机中国

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