為便攜應(yīng)用選擇適當(dāng)集成EMI濾波及ESD保護(hù)方案
如今的手機(jī)等便攜設(shè)備的尺寸日趨小巧纖薄,同時又在集成越來越多的新功能或新特性,如大尺寸顯示屏、高分辨率相機(jī)模塊、高速數(shù)據(jù)接口、互聯(lián)網(wǎng)接入、電視接收等,讓便攜設(shè)備的數(shù)據(jù)率及時鐘頻率越來越高。這樣,便攜設(shè)備面臨著諸多潛在的電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)源的風(fēng)險,如開關(guān)負(fù)載、電源電壓波動、短路、電感開關(guān)、雷電、開關(guān)電源、RF放大器和功率放大器、帶狀線纜與視頻顯示屏的互連及時鐘信號的高頻噪聲等。因此,設(shè)計人員需要針對音頻插孔/耳機(jī)、USB端口、揚(yáng)聲器、鍵盤、麥克風(fēng)、相機(jī)、顯示屏互連等多個位置,為便攜設(shè)備選擇適合的EMI/RFI濾波方案。
常見EMI/RFI濾波器類型及濾波要求
對于EMI/RFI濾波器而言,從架構(gòu)上看,最常見的架構(gòu)是“Pi”濾波器,顧名思義,這種架構(gòu)類似于希臘字母“π”。常見的π型濾波器有兩種,分別是C-R-C(電容-電阻-電容)濾波器和C-L-C(電容-電感-電容)濾波器。其中,C-R-C濾波器(見圖1a)也稱RC-π型濾波器或π型RC濾波器,用于音頻及低速數(shù)據(jù)濾波應(yīng)用;C-L-C濾波器(見圖1b)也稱作LC-π型濾波器或π型LC濾波器,用于音頻、低速及高速數(shù)據(jù)濾波應(yīng)用。
π型濾波器還有一種擴(kuò)展類型,即形狀象梯子的梯形濾波器,其中最常見的是LC(電感電容)梯形濾波器(見圖1c),這種濾波器承受更高的數(shù)據(jù)率,但在濾波元件(電感或電容)增多時,尺寸和成本會成為問題,導(dǎo)致物料成本更高、封裝更大。
圖1:常見EMI/RFI濾波器類型的結(jié)構(gòu)示意圖:a) π型RC;b) π型LC;c) LC梯形。
這幾種類型的EMI/RFI濾波器中,從頻幅響應(yīng)比較來看,π型RC濾波器的躍遷帶(transition band)最寬,轉(zhuǎn)折率(rolloff)最低;π型LC濾波器的轉(zhuǎn)折率較低,但躍遷帶適中;梯形濾波器則能實(shí)現(xiàn)極高的轉(zhuǎn)折率及較窄的躍遷帶寬。
就EMI/RFI濾波而言,以手機(jī)應(yīng)用為例,傳統(tǒng)上的一個基準(zhǔn)頻率是800 MHz,因?yàn)?00 MHz接近手機(jī)所用頻段的起始頻率。大多數(shù)情況下,手機(jī)設(shè)計工程師要求在800 MHz以上頻率進(jìn)行濾波,這一般意味著最低30 dB的信號衰減。隨著手機(jī)中功能的增多以及時鐘與數(shù)據(jù)信號的分類,基準(zhǔn)頻率正在降低。許多便攜電子產(chǎn)品制造商要求在400 MHz頻率進(jìn)行EMI/RFI濾波,未來可能還會要求在更低頻率下進(jìn)行EMI/RFI濾波。
集成EMI濾波與ESD保護(hù)
在便攜產(chǎn)品中,濾波器一般位于鄰近連接端口、麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器的位置。而恰好這些位置也可能面臨靜電放電(ESD)事件。以音頻線路為例,如果采用分立元件方案來分別進(jìn)行EMI濾波和ESD保護(hù),就面臨著執(zhí)行這兩項功能所需要的元器件數(shù)量問題。其中,就EMI濾波器而言,如果使用1個分立的π型LC濾波器,就需要2個表面貼裝電容和1個表面貼裝電感。為了提供ESD保護(hù),還需要額外增加某種類型的表面貼裝瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管。這樣,1條音頻線路的EMI濾波和ESD保護(hù)就需要4個獨(dú)立元件,這里還未提及這些元件所需占用的便攜設(shè)彌足珍貴的空間問題。如果不止1條音頻線路,那采用分立元件方案就更不切實(shí)際了。
因此,最簡單的方案就是在同一個元件中集成EMI濾波與ESD保護(hù)功能。首先,集成方案中的集成型TVS二極管也提供EMI濾波所需的電容;其次,改進(jìn)工藝技術(shù)也可大幅提升集成型電感的質(zhì)量。通過將這些集成型元器件集成到硅片上,原來需要多個獨(dú)立元件的方案,就可以采用集成型EMI濾波+ESD保護(hù)方案(參見圖2)。
圖2:集成型EMI濾波+ESD保護(hù)方案:a) π型RC;b) π型LC;c) LC梯形
其中,在ESD保護(hù)等級方面,IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了系統(tǒng)級測試條件及保護(hù)等級,這等級分為4種,便攜應(yīng)用通常需要的是第4級保護(hù),即在8 kV接觸放電或15 kV空氣放電IEC61000-4-2測試條件下,便攜設(shè)備需要能夠承受住ESD事件沖擊。
總的來說,通過高性價比地集成EMI濾波與ESD保護(hù),便攜應(yīng)用設(shè)計人員可以降低成本,減少物料單(BOM)元件數(shù)量,并減小電路板占用空間。
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