智能手機設(shè)計中的EMI和ESD問題（2）

手機EMI抗干擾功能 在某情況下，ESD問題并不是工程師要解決的唯一問題。因為手機發(fā)射和傳送RF信號時，很多組件受到RF輻射，因此，必須抑制RF輻射以保護正常的工作。甚至在某些情況下，某些IC自己也會產(chǎn)生RF輻射以及射頻干擾。 基本上，很多接口都會容易受到GSM脈沖的攻擊，如音頻線路或LCD或相機模塊，產(chǎn)生能夠聽見的噪聲或可以看見的屏幕抖動。這就是在設(shè)計手機時強烈推薦EMI濾波器的原因。 在某種意義上，EMI輻射抑制已成為下一代手機如多頻手機或3G手機的關(guān)鍵問題，因為現(xiàn)有解決方案即將達到技術(shù)極限。 采用分立的電阻和電容的單一阻容PI型濾波器設(shè)計不再是節(jié)省空間的解決方案。此外，因為衰減帶寬很窄，阻容濾波器的濾波性能極差。對于空間限制極嚴(yán)，工作頻率擴大幾個頻段的多頻手機和3G手機，這類濾波器的缺陷明顯。 設(shè)計師開始關(guān)注衰減大和衰減頻帶寬的低通濾波器，以硅為材料的集成EMI濾波器是適合所有這些需求的濾波器，它表現(xiàn)出極寬的衰減范圍，從800MHz到2GHz或3GHz，S21參數(shù)超過30db等。同時，這些濾波器可針對高速數(shù)據(jù)應(yīng)用實現(xiàn)低寄生電容結(jié)構(gòu)和超小的PCB空間。 硅EMI濾波器：LC型還是RC型? 今天，半導(dǎo)體供應(yīng)商正在提供LC型或RC型濾波器，問題在于如何為正確的應(yīng)用選擇正確的技術(shù)。 對上文提及的兩種技術(shù)的純?yōu)V波性能進行對比，在某種意義上我們看見相似的濾波特性，兩種結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出極寬的抑制頻帶。這些主要特性的取得歸功于能夠最大限度降低濾波器(無論是RC還是LC型)的寄生電感的集成概念。 然后，LC濾波器能夠優(yōu)化低頻的插入損耗。與RC濾波器相比，濾波特性在技術(shù)規(guī)格中確實存在明顯的差別。但是考慮到特性曲線是在50Ω環(huán)境中測量到的，設(shè)計師可能注意到，在應(yīng)用條件下，因為多數(shù)IC是高阻抗元器件，RC濾波器的串聯(lián)電阻或LC濾波器的串聯(lián)電感對插入損耗的影響可忽略不計。因此，即使在濾波器技術(shù)規(guī)格中看到插入損耗的差異，這個差異也不真地適合應(yīng)用條件。 盡管如此，我們可以使RC或LC濾波器信號傳輸能力實現(xiàn)差異化。特別是在高頻下，LC濾波器可能具有RC濾波器絕對沒有的某些振蕩效應(yīng)。這些寄生振蕩可能會干擾信號甚至?xí)a(chǎn)生比RC濾波器更長的延遲時間。最后，EMI濾波器是使用硅RC還是LC，兩者之間沒有明顯的性能差異，因為它們的特性在實際應(yīng)用中基本相同，低阻抗環(huán)境除外。順便提及一下，考慮到現(xiàn)有的硅技術(shù)，電阻的集成密度比電感器高出很多。因此，LC濾波器的制造成本高于RC濾波器。 現(xiàn)在讓我們對比無源LC濾波器和硅RC濾波器，大家熟知的兩者之間的差異是，無源技術(shù)基于集成變阻器(而硅濾波器集成的是二極管)。因此，這種濾波器不如硅RC濾波器耐用，同時過濾特性類似于分立電容器，這意味著抑制頻帶尖而窄，不能為新一代多頻手機100%優(yōu)化。 濾波器的RC耦合是設(shè)計人員必須精心選擇的首要特性，本質(zhì)上說，應(yīng)用的信號傳輸速度越快，濾波器線路的總電容就應(yīng)該越小。 因此，對于UART、RS232或音頻線路，標(biāo)準(zhǔn)電容在幾百個pF范圍內(nèi)的EMI濾波器足以確保優(yōu)秀的濾波性能和最小的信號干擾。 對于高速接口像LCD或CMOS傳感器，濾波器的寄生電容對視頻信號完整性的影響很大，所以電容值必須降到最低限度，幾十個兆赫茲的頻率，電容必須小于20pF。 這又帶來了新的問題，因為濾波器的濾波性能會因為本身電容變小而降低。 因為最近的半導(dǎo)體設(shè)計，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了超低電容EMI濾波器結(jié)構(gòu)，以及超高衰減量、寬帶抑制和符合IEC61000-4-2第4級的ESD保護功能。意法半導(dǎo)體是市場上率先推出電容超低、抑制帶寬極大并符合IEC61000-4-2第4級安全標(biāo)準(zhǔn)的濾波器結(jié)構(gòu)，EMIF08-VID01F2在800MHz到3GHz頻帶內(nèi)可以實現(xiàn)30dB以上的衰減抑制，同時在3V工作電壓時其線電容只有17pF。 要想取得最佳的濾波性能，除考慮硅產(chǎn)品本身的特性外，還要考慮組件的封裝和布局，這就是大多數(shù)基于硅的EMI濾波器采用400um管腳間距的倒裝片封裝或microQFN封裝的原因。微型封裝的主要優(yōu)勢之處是寄生電感影響小，從而最大限度地提高了高頻下的衰減特性；其次微型封裝尺寸小，有助產(chǎn)品的微型化趨勢。 400um管腳間距還可簡化和最小化濾波器與I/O連接端子之間的布局連接，因此，使用管腳間距較小的新封裝有助于提高PCB＋布局＋濾波器的系統(tǒng)整體性能。與分立的電容和電阻占用的PCB空間相比，像EMIF08這樣的倒裝片和mQFN封裝的硅濾波器可節(jié)省PCB空間近70%，將組件數(shù)量從18個減少到1個，同時還能維持或降低應(yīng)用的整體成本。 最后，RC硅濾波器是一個具有競爭力的解決方案，其過濾性能、ESD保護和PCB空間占用超過了分立解決方案。除單純的性能對比外，集成解決方案更適合新一代手機對寬衰減帶寬和高密度集成的需求。 本文小結(jié) 在手機設(shè)計的初始階段，ESD和EMI問題變得越來越突出，必須根據(jù)實際應(yīng)用選擇專門的方法來解決ESD和EMI問題。雖然保護組件本身的性能十分關(guān)鍵，但是布局考慮也有助于提高系統(tǒng)的整體防護性能。 為提高新一代手機的EMI抗干擾性能和ESD抗靜電性能，ST在2006年全面增強了產(chǎn)品組合，推出了微型超薄單線ESD保護產(chǎn)品，這是一個產(chǎn)品型號齊全的ESD陣列，其microQFN封裝占用空間比SOT666和其它專用產(chǎn)品如USB2.0接口專用超低電容保護組件低40%。此外，新系列EMI濾波器取得了新的突破，在一個倒裝片或400um管腳間距的microQFN封裝內(nèi)組裝了超小或超大的電容結(jié)構(gòu)。