隨著無線市場(chǎng)的繼續(xù)發(fā)展,下一代手機(jī)將擁有更多的功能特性,例如帶多個(gè)彩屏(每部手機(jī)至少有兩個(gè)彩屏)以及百萬像素以上的高分辨率相機(jī)等。

圖1:LCD模塊周圍的噪聲與ESD傳輸路徑。

仍舊受緊湊設(shè)計(jì)趨勢(shì)的推動(dòng),實(shí)現(xiàn)高分辨率LCD及相機(jī)將使設(shè)計(jì)者面臨多種挑戰(zhàn),其中一個(gè)主要設(shè)計(jì)考慮便是這些新模塊對(duì)電磁干擾(EMI)的敏感性。

對(duì)于目前流行的許多手機(jī)(尤其是翻蓋型手機(jī))來說,彩色LCD或相機(jī)CMOS傳感器通過連接在手機(jī)(上下)兩個(gè)主要部分之間的柔性或長(zhǎng)走線PCB與基帶控制器相連。

一方面,該連接線會(huì)受到由天線輻射出的寄生GSM/CDMA頻率的干擾。另一方面,由于高分辨率CMOS傳感器及TFT模塊的引入,數(shù)字信號(hào)工作于更高的頻率上,從而使該連接線會(huì)像天線一樣產(chǎn)生EMI/RFI或可能造成ESD危險(xiǎn)事件。

總之,在上述兩種情況下,所有這些EMI及ESD干擾均會(huì)破壞視頻信號(hào)的完整性,甚至損壞基帶控制器電路。

為抑制這些EMI輻射并保證正常的數(shù)據(jù)傳輸,可考慮實(shí)現(xiàn)幾種濾波器解決方案,這可通過使用分立阻容濾波器或集成的EMI濾波器來實(shí)現(xiàn)。

圖2:GSM衰減頻率對(duì)應(yīng)濾波電容。

EMI及ESD噪聲抑制方法

如果考慮到板空間、手機(jī)工作頻率上的高濾波性能以及保存信號(hào)完整性等設(shè)計(jì)約束,目前已知的解決方案正在達(dá)到其技術(shù)極限。

分立濾波器不能為解決方案提供任何空間節(jié)省,而且還只能提供針對(duì)窄帶衰減的有限濾波性能,故大多數(shù)設(shè)計(jì)者目前都在考慮集成的EMI濾波器。

在配有高分辨率LCD及嵌入式相機(jī)的手機(jī)中,信號(hào)是通過特定頻率(取決于分辨率)從基帶ASIC被傳送至LCD及內(nèi)嵌的相機(jī)上。

視頻分辨率越高,數(shù)據(jù)工作的頻率亦越高。迄今為止,一般數(shù)據(jù)工作在大約6至20MHz的頻率上,且分辨率的競(jìng)賽還會(huì)促使相機(jī)模塊制造商繼續(xù)將此頻率提高至40-60MHz。

圖3:新型濾波器單元結(jié)構(gòu)(串聯(lián)電
阻為100歐姆,線電容為17pF)。

為適應(yīng)數(shù)據(jù)速率的增加且不中斷視頻信號(hào),設(shè)計(jì)者必須選擇考慮了理論建議的低電容的濾波器,即:濾波器截止頻率(1/2πRC)必須大約為時(shí)鐘頻率的5倍。

在目前的無線終端中,對(duì)于30至60萬像素的相機(jī)模塊來說,時(shí)鐘頻率大約介于6至12MHz之間。故建議將濾波器(上下)截止頻率選擇在30至50MHz范圍內(nèi)。很多濾波器解決方案都遵循此理論建議,但隨著分辨率的提高以及時(shí)鐘頻率超過40MHz,濾波器截止頻率必須處于200MHz范圍內(nèi)。因此,可預(yù)見一些濾波器解決方案正在達(dá)到它們的極限。

表1給出了幾種濾波器電容值與截止頻率的對(duì)照,以及時(shí)鐘兼容性。這表明低電容濾波器是最適合高頻率、高速數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)慕鉀Q方案。

不過設(shè)計(jì)者知道,在濾波電容值與GSM/CDMA頻率上的衰減特性之間存在著無法解決的折衷問題。低電容結(jié)構(gòu)會(huì)影響濾波器的高頻性能,且目前大多數(shù)低電容濾波器都不能在900MHz頻率上提供優(yōu)于-25dB的衰減性能。圖2顯示了EMI濾波電容對(duì)GSM頻率衰減的影響。

圖4:新型低電容EMI濾波器S21參數(shù)測(cè)量。

除對(duì)濾波性能有影響外,低電容濾波器還會(huì)影響ESD性能。考慮到較低的二極管電容可顯著減少ESD浪涌能力,故在良好衰減、ESD性能及低電容濾波器結(jié)構(gòu)之間找到最佳折衷極具挑戰(zhàn)性。

性能改進(jìn)后的低電容EMI濾波器

為滿足以低電容濾波器實(shí)現(xiàn)但同時(shí)保持高濾波性能這種矛盾的要求,意法半導(dǎo)體公司開發(fā)出在900MHz頻率上具有高頻衰減特性并采用超低電容結(jié)構(gòu)的新一代EMI濾波器。

這些基于IPAD技術(shù)(集成有源、無源器件)的新型EMI濾波器,采用了帶集成ESD保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)PI濾波器結(jié)構(gòu)。圖3表示一種帶串聯(lián)電阻及電容的基本濾波器單元配置。

這種新型低電容結(jié)構(gòu)用來提供200MHz范圍內(nèi)的截止頻率,可支持時(shí)鐘頻率超過40MHz的數(shù)據(jù)速率。

盡管二極管電容已被極大地減少至,但它能提供出色的濾波性能,即在大約900MHz的頻率范圍內(nèi)衰減特性優(yōu)于-35dB。

圖4顯示采用此濾波器基本單元架構(gòu)的S21參數(shù)指標(biāo)。圖中顯示在900MHz頻率上具有35dB的衰減特性,這是一種通過17pF線電容集成EMI濾波器來達(dá)到的空前性能。

圖5:分別通過高、低電容濾波
器的40MHz數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果比較。

除濾波功能外,集成輸入齊納二極管還能抑制高達(dá)15kV的空中放電ESD沖擊,達(dá)到了IEC61000-4-2第4級(jí)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的性能水平。

高速數(shù)據(jù)兼容性

為了不擾亂視頻信號(hào),新型低電容濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)采用了經(jīng)過優(yōu)化的線電容值,以支持時(shí)鐘頻率高于40MHz的芯片組。

這種結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)上升、下降沿只有很小的影響,且器件輸入、輸出間幾乎沒有什么延時(shí)。

用最大、1ns的信號(hào)對(duì)輸入Rt(10-90%上升沿)及 Ft(10-90%下降沿)進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,由濾波器引起的延時(shí)(輸出與輸入信號(hào)之差)不超過1ns。可以肯定,即使對(duì)于高分辨率LCD或相機(jī)應(yīng)用,也能完全保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。

圖5顯示了工作于40MHz頻率上的3V視頻信號(hào)分別通過高、低電容濾波器的傳輸情況比較。可以發(fā)現(xiàn),高電容結(jié)構(gòu)所引起的延時(shí)是低電容結(jié)構(gòu)的5至6倍。在這種情況下,信號(hào)輸出電壓不能被正確地接收。

表1:截止頻率及時(shí)鐘信號(hào)兼容性對(duì)應(yīng)濾波器解決方案。

高集成解決方案

與分立設(shè)計(jì)相比,使用設(shè)計(jì)成帶層疊凸點(diǎn)的倒裝芯片封裝型集成EMI濾波器,可簡(jiǎn)化PCB布局并節(jié)省高達(dá)80%的板面積。

結(jié)果表明,線集成率(PCB面積/線數(shù))大約為0.6。這意味著這些新型濾波器可以每線占去的PCB面積來提供EMI功能及ESD保護(hù)。

建議該新型濾波器系列采用4、6及8條“PI”線配置來提供設(shè)計(jì)靈活性并滿足大多數(shù)高速數(shù)據(jù)線設(shè)計(jì)要求。其PCB面積占用分別為、及,故幾乎可完全采用傳統(tǒng)的SOT323塑料封裝。

意法半導(dǎo)體公司的新型低電容EMI濾波器支持4、6及8線配置,每一種配置均包含側(cè)接有齊納二極管的RC濾波網(wǎng)絡(luò)。100歐姆的串聯(lián)電阻與17pF的線電容值被用來達(dá)到在至2GHz范圍內(nèi)最小30dB的衰減。器件的低電容意味著它們能被用于下一代時(shí)鐘頻率超過40MHz的LCD顯示器及相機(jī)傳感器。

作者:Sylvain Mosquera-Duran

專用標(biāo)準(zhǔn)器件與分立產(chǎn)品行銷工程師

意法半導(dǎo)體公司