隨著無線市場的繼續發展,下一代手機將擁有更多的功能特性,例如帶多個彩屏(每部手機至少有兩個彩屏)以及百萬像素以上的高分辨率相機等。

圖1:LCD模塊周圍的噪聲與ESD傳輸路徑。

仍舊受緊湊設計趨勢的推動,實現高分辨率LCD及相機將使設計者面臨多種挑戰,其中一個主要設計考慮便是這些新模塊對電磁干擾(EMI)的敏感性。

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

一方面,該連接線會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,數字信號工作于更高的頻率上,從而使該連接線會像天線一樣產生EMI/RFI或可能造成ESD危險事件。

總之,在上述兩種情況下,所有這些EMI及ESD干擾均會破壞視頻信號的完整性,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據傳輸,可考慮實現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濾波器來實現。

圖2:GSM衰減頻率對應濾波電容。

EMI及ESD噪聲抑制方法

如果考慮到板空間、手機工作頻率上的高濾波性能以及保存信號完整性等設計約束,目前已知的解決方案正在達到其技術極限。

分立濾波器不能為解決方案提供任何空間節省,而且還只能提供針對窄帶衰減的有限濾波性能,故大多數設計者目前都在考慮集成的EMI濾波器。

在配有高分辨率LCD及嵌入式相機的手機中,信號是通過特定頻率(取決于分辨率)從基帶ASIC被傳送至LCD及內嵌的相機上。

視頻分辨率越高,數據工作的頻率亦越高。迄今為止,一般數據工作在大約6至20MHz的頻率上,且分辨率的競賽還會促使相機模塊制造商繼續將此頻率提高至40-60MHz。

圖3:新型濾波器單元結構(串聯電
阻為100歐姆,線電容為17pF)。

為適應數據速率的增加且不中斷視頻信號,設計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)必須大約為時鐘頻率的5倍。

在目前的無線終端中,對于30至60萬像素的相機模塊來說,時鐘頻率大約介于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。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鐘頻率超過40MHz,濾波器截止頻率必須處于200MHz范圍內。因此,可預見一些濾波器解決方案正在達到它們的極限。

表1給出了幾種濾波器電容值與截止頻率的對照,以及時鐘兼容性。這表明低電容濾波器是最適合高頻率、高速數據信號傳輸的解決方案。

不過設計者知道,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。低電容結構會影響濾波器的高頻性能,且目前大多數低電容濾波器都不能在900MHz頻率上提供優于-25dB的衰減性能。圖2顯示了EMI濾波電容對GSM頻率衰減的影響。

圖4:新型低電容EMI濾波器S21參數測量。

除對濾波性能有影響外,低電容濾波器還會影響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構之間找到最佳折衷極具挑戰性。

性能改進后的低電容EMI濾波器

為滿足以低電容濾波器實現但同時保持高濾波性能這種矛盾的要求,意法半導體公司開發出在900MHz頻率上具有高頻衰減特性并采用超低電容結構的新一代EMI濾波器。

這些基于IPAD技術(集成有源、無源器件)的新型EMI濾波器,采用了帶集成ESD保護的標準PI濾波器結構。圖3表示一種帶串聯電阻及電容的基本濾波器單元配置。

這種新型低電容結構用來提供200MHz范圍內的截止頻率,可支持時鐘頻率超過40MHz的數據速率。

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的頻率范圍內衰減特性優于-35dB。

圖4顯示采用此濾波器基本單元架構的S21參數指標。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濾波器來達到的空前性能。

圖5:分別通過高、低電容濾波
器的40MHz數據傳輸測試結果比較。

除濾波功能外,集成輸入齊納二極管還能抑制高達15kV的空中放電ESD沖擊,達到了IEC61000-4-2第4級工業標準所要求的性能水平。

高速數據兼容性

為了不擾亂視頻信號,新型低電容濾波器在設計時采用了經過優化的線電容值,以支持時鐘頻率高于40MHz的芯片組。

這種結構對數據信號上升、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。

用最大、1ns的信號對輸入Rt(10-90%上升沿)及 Ft(10-90%下降沿)進行仿真,結果表明,由濾波器引起的延時(輸出與輸入信號之差)不超過1ns。可以肯定,即使對于高分辨率LCD或相機應用,也能完全保持數據的完整性。

圖5顯示了工作于40MHz頻率上的3V視頻信號分別通過高、低電容濾波器的傳輸情況比較。可以發現,高電容結構所引起的延時是低電容結構的5至6倍。在這種情況下,信號輸出電壓不能被正確地接收。

表1:截止頻率及時鐘信號兼容性對應濾波器解決方案。

高集成解決方案

與分立設計相比,使用設計成帶層疊凸點的倒裝芯片封裝型集成EMI濾波器,可簡化PCB布局并節省高達80%的板面積。

結果表明,線集成率(PCB面積/線數)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。

建議該新型濾波器系列采用4、6及8條“PI”線配置來提供設計靈活性并滿足大多數高速數據線設計要求。其PCB面積占用分別為、及,故幾乎可完全采用傳統的SOT323塑料封裝。

意法半導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接有齊納二極管的RC濾波網絡。100歐姆的串聯電阻與17pF的線電容值被用來達到在至2GHz范圍內最小30dB的衰減。器件的低電容意味著它們能被用于下一代時鐘頻率超過40MHz的LCD顯示器及相機傳感器。

作者:Sylvain Mosquera-Duran

專用標準器件與分立產品行銷工程師

意法半導體公司