電路保護及濾波技術(shù)透視暨智能手機典型應(yīng)用示例

靜電放電(ESD)保護及電磁干擾(EMI)正在成為所有電氣設(shè)備越來越重要的考慮因素。消費者要求智能手機等便攜/無線設(shè)備具有更多功能特性及采用纖薄型工業(yè)設(shè)計，這就要求設(shè)計人員要求更加注重小外形封裝之中的ESD及EMI性能。本文將分析電路保護要求，比較不同的電路保護技術(shù)及濾波技術(shù)，介紹安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于典型電路保護及濾波應(yīng)用的產(chǎn)品，幫助設(shè)計工程師設(shè)計出更可靠的便攜及消費類產(chǎn)品。

關(guān)鍵芯片組外部ESD保護要求

業(yè)界正在采用最先進的技術(shù)制造先進的系統(tǒng)級芯片(SoC)。設(shè)計人員為了優(yōu)化功能及芯片尺寸，正在持續(xù)不斷地減小其芯片設(shè)計的最小特征尺寸。但相應(yīng)的代價是：隨著特征尺寸減小，器件更易于遭受ESD損傷。當今的集成電路(IC)給保護功能所留下的設(shè)計窗口已經(jīng)減小。ESD保護必須在安全過壓及過流區(qū)工作。隨著業(yè)界趨向以更小幾何尺寸和更低電壓制造更先進IC，IC的安全工作區(qū)也在縮小。

有效ESD保護的關(guān)鍵是限制ESD事件期間的電壓，令其處于給定芯片組的安全電壓窗口內(nèi)。ESD保護產(chǎn)品實現(xiàn)有效ESD保護的方式，是在ESD事件期間提供接地的低阻抗電流路徑；用于新集成電路的保護產(chǎn)品需要更低的動態(tài)阻抗(Rdyn)，從而避免可能導(dǎo)致?lián)p傷的電壓。

由于給保護功能所留的設(shè)計窗口減小，選擇具有低動態(tài)阻抗的ESD保護產(chǎn)品變得更加重要，以此確保鉗位電壓不超過新芯片組的安全保護窗口。因此，ESD保護產(chǎn)品供應(yīng)商必須提供保護產(chǎn)品有效性的信息，而非僅是保護產(chǎn)品自身的存續(xù)等級。

硅ESD保護技術(shù)與無源ESD保護技術(shù)比較

安森美半導(dǎo)體的保護及濾波方案基于先進的硅工藝。相比較而言，其它幾種低成本無源方案結(jié)合使用了陶瓷、鐵氧體及多層壓敏電阻(MLV)材料。這些類型器件傳統(tǒng)上ESD鉗位性能較弱。在某些無源方案中，下游器件會遭受的電壓比安森美半導(dǎo)體硅方案高出一個或多個數(shù)量級，下圖中的ESD屏幕截圖所示，其中比較了安森美半導(dǎo)體硅方案與競爭技術(shù)在8 kV ESD應(yīng)力條件下的表現(xiàn)。競爭技術(shù)的導(dǎo)通電壓如此之高，以致于它根本不會激活，所測的電壓只不過是在50 Ω測量電路上的電壓降。其它一些更老技術(shù)甚至在經(jīng)歷較少幾次ESD沖擊后性能就會下降。由于材料成分原因，某些無源器件往往在不同溫度條件下的性能表現(xiàn)不一致，因此在惡劣環(huán)境下的可靠性更低。

圖1：安森美半導(dǎo)體硅器件與無源競爭器件以50 Ω系統(tǒng)在8 kV測得的ESD鉗位性能比較

消除信號完整性問題的PicoGuard XS ESD保護技術(shù)

傳統(tǒng)ESD保護產(chǎn)品貼裝在信號走線與地之間，在信號路徑上不會產(chǎn)生中斷。為了將高速數(shù)據(jù)線路的信號完整性下降問題減至最輕，電容必須最小化，如圖2所示。

圖2：傳統(tǒng)ESD保護設(shè)計方法與PicoGuard XS比較。

安森美半導(dǎo)體優(yōu)異的PicoGuard XS技術(shù)通過使信號路徑穿越保護產(chǎn)品，提供阻抗匹配的信號路徑，故而消除了信號完整性問題。PicoGuard XS技術(shù)平衡了封裝串聯(lián)電感與保護二極管電容，提供極佳的100 Ω信號路徑，與PCB上走線的阻抗匹配。此外，這種設(shè)計事實上省下了與保護二極管串聯(lián)的電感，因而將ESD事件起始階段的封裝引致電壓尖峰減至最小。

電磁干擾(EMI)濾波：單端濾波器與共模濾波器(CMF)

安森美半導(dǎo)體提供兩種類型的EMI濾波器，分別是單端濾波器及共模濾波器。單端濾波器采用不同陣列配置來制造，用于并行接口。這些濾波器包括用于音頻等低速信號的通用電阻-電容(RC)型濾波器和用于較高速度及功率敏感型接口的電感-電容(LC)型濾波器。低通濾波器提供700 MHz至最高6 GHz范圍的截止頻率。截止頻率如圖8所示的S21圖所示。單端濾波器無法滿足高速差分接口的需求。差分接口擁有固有的噪聲抑制，但它們不能完全免受可能存在于來自外部源的共模噪聲的影響，亦不能防止接口信號輻射至系統(tǒng)其它元件。

圖3：單端低通濾波器特性

這些應(yīng)用中能使用共模濾波器(CMF)來消除不想要的共模噪聲，并防止高速信號輻射有害的共模噪聲信號至系統(tǒng)其它元件。同時，CMF還使想要的高速數(shù)據(jù)事實上不受影響地通過。典型的CMF特性如圖4所示，圖中顯示消除了共模噪聲，同時支持差模信號無損通過。

圖4：共模濾波器特性

智能手機等便攜及消費產(chǎn)品電路保護及濾波應(yīng)用示例

1) USB 2.0接口濾波及保護

安森美半導(dǎo)體為USB 2.0接口提供適合1對高速線路及VCC的低電容ESD保護方案(如NUP4114UPX、NUP4114UCL、NUP4114H、ESD7L5.0及ESD9L5.0)，還提供適合1對高速線路及VCC的共模濾波器及ESD保護方案(EMI2121)，用于智能手機、數(shù)碼相機等便攜/無線產(chǎn)品中的USB 2.0接口。

2) USB 3.0接口ESD保護

智能手機、平板電腦等便攜/無線設(shè)備的功能越來越多、性能越來越強、存儲容量越來越大，與外界的數(shù)據(jù)通信需求也越來越高。USB標準制定組織宣布，速度是USB 2.0十倍的USB 3.0端口有望在2012年度或2013年初支持智能手機和平板電腦設(shè)備。

安森美半導(dǎo)體為USB 3.0接口提供一系列方案，用于為2對超高速線路、1對高速線路及VCC提供低電容ESD保護。這些方案包括ESD7008(保護8條線路、0.12 pF電容、5.5 x 1.5 mm UDFN-18封裝)、ESD7104(保護4條線路、0.3 pF電容、2.5 x 1.0 mm UDFN-10封裝)、ESD7004(保護4條線路、0.4 pF電容、2.5 x 1.0 mm UDFN-10封裝)及ESD7L(保護2條線路、0.5 pF電容、1.2 x 1.2 mm SOT-723封裝)。

3) 相機及顯示屏并行接口及串行接口保護

安森美半導(dǎo)體為相機及顯示屏并行接口和串行接口提供保護方案。其中，適合4至12條線路并行接口的低通濾波器及ESD保護方案包括EMI720x系列、EMI940x系列、CM1693系列及CM1457系列；適合3至5對高速串行通道的共模濾波器及ESD保護方案包括EMI4182及EMI4183等。這些產(chǎn)品可用于智能手機和數(shù)碼相機等應(yīng)用。

4) 便攜產(chǎn)品HDMI端口濾波及保護

一些智能手機及平板電腦設(shè)計已經(jīng)開始支持HDMI端口，配合用戶以更高速率傳輸音視頻數(shù)據(jù)的需求。安森美半導(dǎo)體提供適合于便攜產(chǎn)品HDMI端口濾波及保護的低阻抗共模濾波器(CMF)，適合為4對高速線路及最多6條額外接口線路提供低電容ESD保護及共模濾波。