适合便携应用的集成EMI滤波及ESD保护方案

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性,如大尺寸显示屏、高分辨率相机模块、高速数据接口、互联网接入、电视接收等,让便携设备的数据率及时钟频率越来越高。

  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性,如大尺寸显示屏、高分辨率相机模块、高速数据接口、互联网接入、电视接收等,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干扰(EMI)/射频干扰(RFI)源的风险,如开关负载、电源电压波动、短路、电感开关、雷电、开关电源、RF放大器和功率放大器、带状线缆与视频显示屏的互连及时钟信号的高频噪声等。因此,设计人员需要针对音频插孔/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,为便携设备选择适合的EMI/RFI滤波方案。

  常见EMI/RFI滤波器类型及滤波要求

  对于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,分别是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。其中,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应用;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应用。

  π型滤波器还有一种扩展类型,即形状象梯子的梯形滤波器,其中最常见的是LC(电感电容)梯形滤波器(见图1c),这种滤波器承受更高的数据率,但在滤波元件(电感或电容)增多时,尺寸和成本会成为问题,导致物料成本更高、封装更大。

  

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

  这几种类型的EMI/RFI滤波器中,从频幅响应比较来看,π型RC滤波器的跃迁带(transition band)最宽,转折率(rolloff)最低;π型LC滤波器的转折率较低,但跃迁带适中;梯形滤波器则能实现极高的转折率及较窄的跃迁带宽。

  就EMI/RFI滤波而言,以手机应用为例,传统上的一个基准频率是800 MHz,因为800 MHz接近手机所用频段的起始频率。大多数情况下,手机设计工程师要求在800 MHz以上频率进行滤波,这一般意味着最低30 dB的信号衰减。随着手机中功能的增多以及时钟与数据信号的分类,基准频率正在降低。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,滤波器一般位于邻近连接端口、麦克风和扬声器的位置。而恰好这些位置也可能面临静电放电(ESD)事件。以音频线路为例,如果采用分立元件方案来分别进行EMI滤波和ESD保护,就面临着执行这两项功能所需要的元器件数量问题。其中,就EMI滤波器而言,如果使用1个分立的π型LC滤波器,就需要2个表面贴装电容和1个表面贴装电感。为了提供ESD保护,还需要额外增加某种类型的表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保护就需要4个独立元件,这里还未提及这些元件所需占用的便携设弥足珍贵的空间问题。如果不止1条音频线路,那采用分立元件方案就更不切实际了。

  因此,最简单的方案就是在同一个元件中集成EMI滤波与ESD保护功能。首先,集成方案中的集成型TVS二极管也提供EMI滤波所需的电容;其次,改进工艺技术也可大幅提升集成型电感的质量。通过将这些集成型元器件集成到硅片上,原来需要多个独立元件的方案,就可以采用集成型EMI滤波+ESD保护方案(参见图2)。

  

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

  其中,在ESD保护等级方面,IEC61000-4-2标准详细规定了系统级测试条件及保护等级,这等级分为4种,便携应用通常需要的是第4级保护,即在8 kV接触放电或15 kV空气放电IEC61000-4-2测试条件下,便携设备需要能够承受住ESD事件冲击。

  总的来说,通过高性价比地集成EMI滤波与ESD保护,便携应用设计人员可以降低成本,减少物料单(BOM)元件数量,并减小电路板占用空间。

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