集成高速串行接口的EMI濾波及ESD保護問題

　　集成高速串行接口的挑戰

　　雖然采用高速串行接口既支持高數據率，又滿足當代智能手機設計的空間限制，但集成串行接口也會帶來不少挑戰。首當其沖的便是電磁干擾(EMI)挑戰，因為多條射頻及時鐘線路與接口耦合，會產生串擾。其次，集成高速串行接口時，復雜的剛性及柔性電路板布線會影響串行接口性能。此外，需要提供高信號完整性;如果信號完整性較差，會導致手機通話掉線、數據傳輸中斷及用戶體驗較差。當然，如今智能手機中也在使用采用更精微幾何尺寸工藝制造的芯片組，而這些芯片組更易于在發生靜電放電(ESD)事件時遭受損傷。

　　現有EMI抑制方法及問題所在

　　由于在智能手機設計中集成高速串行接口存在上述挑戰，設計人員就需要采取適當的EMI抑制及ESD保護方案。我們先來審視EMI抑制問題。

　　實際上，對于高速串行接口而言，差分信令已經成為其事實標準。與使用單端信號的相同接口相比，差分信令提供更強的噪聲抑制。圖1左側中接收器作為基本的差分放大器，顯示了差分信令的基本優勢。由于兩路差分信號呈180°異相，反相信號又被差分放大器反相后，兩路差分信號在放大器輸出端累加。圖1右側顯示的是差分放大器輸入相同的信號。它們稱作共模信號，因為接收器的兩路輸入信號相同。這類信號可能是手機功率放大器與數據線路通過對線路直接輻射或對地耦合而產生的耦合導致的射頻(RF)干擾造成的。這時差分放大器將消減共模信號，如圖所示。

　　圖1：差分信令示意圖

　　無源共模濾波器通過變壓器耦合電感的動作提供類似的共模及差模特性，如圖2所示。在圖左側，輸入電流波形呈180°異相，用于傳輸差分信令。此電流與另一個線圈的感應電流同相，故僅會這線圈的串聯阻抗削弱。圖右側顯示的是耦合電感輸入的共模或同相電流波形。

　　圖2：共模濾波(180°異相及同相)

　　上述使用共模濾波器(CMF)的無源濾波就是一種現有的EMI抑制方法，使高速差分信號能夠通過濾波器，而不會影響信號完整性。差分信令衍生的共模噪聲得到衰減，防止噪聲與智能手機和無線網絡之間的數據及語音通信產生干擾。對于移動手持設備而言，濾除蜂窩射頻工作頻率的共模噪聲尤為重要，因為共模電流的輻射場強度會隨著頻率而線性增加。因此，如果沒有恰當濾除共模噪聲，手機中易受高頻噪聲影響的任何傳輸線路都可能是電磁干擾源。這種無源共模濾波方法明顯減輕了干擾程度，而且對信號完整性不會有重大影響，而這對智能手機的普及尤為重要。

　　圖3：共模濾波

　　但對無源共模濾波方案而言，還是會滋生問題信號完整性。基于鐵氧體及陶瓷的方案擁有相當淺的共模噪聲衰減曲線，并不能強效地抑制700 MHz至2,500 MHz蜂窩射頻頻段的噪聲。不僅如此，基于鐵氧體的共模濾波器會衰減低頻噪聲，但在較高頻率時衰減噪聲能力會退化，造成蜂窩射頻頻段的噪聲污染。其次，還有機械強固性問題。基于鐵氧體及陶瓷的方案的構造及封裝會使用鐵氧體或低溫共燒陶瓷(LTCC)作為構建線圈的襯底。基于較大鐵氧體及陶瓷構建的方案性能最佳，但會占用大部分的電路板面積。基于較小鐵氧體的方案衰減的共模噪聲較少。此外，某些基于陶瓷或鐵氧體的方案并未在其共模濾波器陣列中集成ESD保護功能，或者使用的是基于壓敏電阻的保護方案，不能完好地保護接口及基帶或應用處理器。

　　差分信令通常出現在多對線路中。以HDMI信令為例，有4條數據通道，表示有4對共模濾波器。MIPI差分信令、相機串行接口(CSI)及顯示屏串行接口(DSI)要求最少2對差分信令(1對用于傳輸數據，1對傳輸數據接口的時鐘信號)。

　　基于鐵氧體或陶瓷的共模濾波器方案通過提供更大的LTCC襯底及將多對共模濾波器置于一起，解決了多對線路的共模濾波問題。增大襯底能夠適應并排多個共模濾波器的需要，但也會帶來機械強固性問題。鐵氧體及LTCC襯底易碎，發生偶然墜落等事件時，可能遭受毀滅性損壞。鐵氧體或LTCC襯底也可能會出現破裂，損壞共模濾波器結構的核心，致使元件不能用于EMI抑制或ESD濾波。

傳統共模濾波器在商業溫度范圍內(特別是在+85℃時)也會出現性能問題。溫度升高時，鐵芯飽和，阻抗增加，濾波性能發生變化。而在功率放大器工作及無線設備在蜂窩系統中通信時，智能手機內部溫度可能高達+85℃。

　　基于鐵芯或陶瓷襯底的傳統共模濾波器的尺寸相對較大，目的單一(即共模濾波)。它們抑制EMI，但從節省空間或成本的角度而言，并不高效，而且不足以解決ESD保護問題，而ESD保護是使用最新基帶及應用處理器的智能手機的一項關鍵問題。這些器件的性價比、電路板空間/性能比并不具備吸引力。

　　集成EMI抑制及ESD保護的途徑

　　如果智能手機持續演進，傳統共模濾波器就會成為束縛，這些產品的復雜度及能夠支持的功能就會存在局限。但有利的是，業界開發出了創新的半導體技術，使手機制造商能夠提供豐富功能的智能手機。硅濾波器的出現，能夠幫助智能手機設計持續進步。安森美半導體率先意識到了從并行接口到串行接口的過渡，開發出了集成EMI抑制及ESD保護的串行接口硅方案產品線。安森美半導體運用為低通濾波器產品開發的構建銅鋁(copper over aluminum)電感工藝中獲得的專知，擴展了這種工藝，創建出嵌入在硅襯底中的共模濾波器線圈，能夠有效地抑制共模噪聲，同時對差分信令的影響甚微，使差分信號事實上順暢無陰地通過。

　　將不同的單獨裸片共同封裝在一起，能夠為智能手機設計團隊提供一種總體方案，提供強固的噪聲抑制及ESD保護能力，適用于最流行的接口，如USB、MIPI、DSI、CSI及HDMI等。后續還會衍生出將這些共模濾波器結構構建在極低電容ESD保護結構上的新方案，進一步提升集成度及簡化制造流程。

　　圖4：硅共模濾波器制造流程

　　安森美半導體身為應用于高能效電子產品的首要高性能硅方案供應商，為了應對智能手機等便攜設備高速串行接口的EMI抑制及ESD保護需求，推出了集成了ESD保護的EMI2121、EMI4182及EMI4183等新的硅共模濾波器，用于抑制噪聲及提供高信號完整性，除了適合智能手機，還可用于平板電腦、無線連接底座、數碼攝像機及機頂盒和DVD播放機等應用。這些新的共模濾波器不同于傳統的EMI濾波器，乃是基于硅片制造，更適合以更深度及更高頻率抑制EMI，非基于陶瓷或鐵氧體的方案可比。這些集成ESD保護及EMI抑制功能的新器件，比競爭方案節省空間多達50%，從而可以可觀的節省物料單(BOM)，且為無線手機設計人員提供了整體(turnkey)解決方案。

EMI2121是單對共模濾波器，EMI4182是雙對共模濾波器，EMI4183是三對共模濾波器，全都提供500 MHz時典型值15 dB的共模抑制，及500 MHz時典型值僅1.0 dB的插入損耗。它們的