如今的手機(jī)等便攜設(shè)備的尺寸日趨小巧纖薄，同時(shí)又在集成越來(lái)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(shí)鐘頻率越來(lái)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(xiǎn),，如開關(guān)負(fù)載、電源電壓波動(dòng),、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(shí)鐘信號(hào)的高頻噪聲等,。因此,，設(shè)計(jì)人員需要針對(duì)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(gè)位置,，為便攜設(shè)備選擇適合的EMI/RFI濾波方案,。

常見(jiàn)EMI/RFI濾波器類型及濾波要求

    對(duì)于EMI/RFI濾波器而言，從架構(gòu)上看,，最常見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)的是LC(電感電容)梯形濾波器(見(jiàn)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(shí),，尺寸和成本會(huì)成為問(wèn)題,，導(dǎo)致物料成本更高、封裝更大,。

圖1：常見(jiàn)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(lái)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(gè)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(jì)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(hào)衰減,。隨著手機(jī)中功能的增多以及時(shí)鐘與數(shù)據(jù)信號(hào)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(lái)可能還會(huì)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(lái)分別進(jìn)行EMI濾波和ESD保護(hù)，就面臨著執(zhí)行這兩項(xiàng)功能所需要的元器件數(shù)量問(wèn)題,。其中,，就EMI濾波器而言,，如果使用1個(gè)分立的π型LC濾波器，就需要2個(gè)表面貼裝電容和1個(gè)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(gè)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(wèn)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(jiǎn)單的方案就是在同一個(gè)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(guò)將這些集成型元器件集成到硅片上，原來(lái)需要多個(gè)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(jiàn)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(jí)方面，IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了系統(tǒng)級(jí)測(cè)試條件及保護(hù)等級(jí),，這等級(jí)分為4種,，便攜應(yīng)用通常需要的是第4級(jí)保護(hù)，即在8 kV接觸放電或15 kV空氣放電IEC61000-4-2測(cè)試條件下,，便攜設(shè)備需要能夠承受住ESD事件沖擊,。

    總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)高性價(jià)比地集成EMI濾波與ESD保護(hù),，便攜應(yīng)用設(shè)計(jì)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,。

針對(duì)便攜設(shè)備具體應(yīng)用的EMI濾波+ESD保護(hù)方案

    在便攜設(shè)備市場(chǎng),，手機(jī)占據(jù)重要位置,。自然地,，手機(jī)中諸多位置都會(huì)應(yīng)用到集成ESD保護(hù)的濾波器。就手機(jī)應(yīng)用而言,，常用的濾波器除了LC和RC濾波器,，還有共模扼流圈EMI濾波器,，這種濾波器幫助減少寄生電感，提供更出色的共模濾波,。這些手機(jī)濾波器的類型帶寬頻譜見(jiàn)圖3,。

圖3：手機(jī)濾波器類型帶寬頻譜

    不同的手機(jī)應(yīng)用需要采用不同的濾波器。一般而言,，應(yīng)用的數(shù)據(jù)率越高,，濾波器線路的總電容就要越小。對(duì)于音頻線路等數(shù)據(jù)率相對(duì)較低的手機(jī)應(yīng)用而言,，EMI濾波器的標(biāo)準(zhǔn)電容在幾百個(gè)pF范圍內(nèi),，就足以提供優(yōu)秀的濾波性能和最小的信號(hào)干擾。

    其中,，在揚(yáng)聲器,、麥克風(fēng)、音頻插孔/耳機(jī)等音頻應(yīng)用中,，可以選用LC或RC類型的濾波器,，如安森美半導(dǎo)體的NUF2441FCT1G、NUF2450MUT1G,、NUF2114MNT1G,、NUF2116MNT1G和NUF4220MNT1G等，這些濾波器均集成了ESD保護(hù)功能,，保護(hù)2條至4條音頻線路,，二極管電容在數(shù)十pF到240 pF之間。以NUF2441FC為例,，這LC濾波器為2條音頻線路提供EMI濾波與IEC61000-4-2第4級(jí) ESD保護(hù)功能,，采用倒裝芯片(flip-chip)封裝，以單顆IC替代2顆電感,、4顆電容再加4顆TVS二極管,，幫助節(jié)省成本及減小電路板占用空間。NUF2450MUT1G也是一款雙線式LC型EMI濾波及ESD保護(hù)器件,，在800 MHz至5.0 GHz頻率范圍下提供大于-30 dB的衰減,；這器件采用節(jié)省空間的uDFN 1.2×1.8×0.5 mm的超小封裝，提供20 MHz的截止頻率與極小的線路阻抗,，非常適合需要低帶通衰減的音頻應(yīng)用,。NUF2114MNT1G則是一款雙線式RC型EMI濾波及ESD保護(hù)器件，采用DFN8封裝,，在900 MHz至3.0 GHz頻率下提供大于-30 dB的衰減,，同樣以單顆IC替代多達(dá)10顆分立元件，幫助降低成本及節(jié)省空間。

    在手機(jī)應(yīng)用中,，顯示屏和相機(jī)等數(shù)據(jù)線路的帶寬比音頻更高,，可以采用RC濾波器，如安森美半導(dǎo)體采用uDFN封裝的NUF40xx,、NUF60xx和NUF80xx等系列器件,。此外，安森美半導(dǎo)體還為數(shù)據(jù)線路濾波應(yīng)用推出采用極小型WDFN/uDFN封裝的X3系列RC濾波器,，包括NUF4310MN和NUF4110MN,。這新系列的4通道RC濾波器在2.5 V電壓時(shí)的線路電容僅為17 pF，集成了40個(gè)分立元件,，提供極小占位面積(1.0×1.4×0.75 mm/1.0×1.6×0.75 mm),、極低阻抗(100 Ω)和業(yè)界領(lǐng)先的ESD保護(hù)(IEC61000-4-2第4級(jí))，支持高達(dá)120 Mbps帶寬,，適合手機(jī),、移動(dòng)互連設(shè)備(MID)、便攜式媒體播放器(PMP),、數(shù)碼相機(jī),、膝上型電腦或上網(wǎng)本等便攜產(chǎn)品的高分辨率相機(jī)模塊和顯示屏等應(yīng)用。

    在上述手機(jī)高分辨率顯示屏和相機(jī)接口等數(shù)據(jù)應(yīng)用中,，還可以采用高速LC濾波器,，如安森美半導(dǎo)體的NUF2900MN。與傳統(tǒng)RC濾波器相比,，高速LC濾波器的截止頻率更高,、寬頻衰減更大、插入損耗更低,。如NUF2900MN的典型截止頻率為350 MHz,，在800 MHz至6.0 GHz頻率時(shí)提供大于-30 dB的衰減，插入損耗性能也更具優(yōu)勢(shì),，參見(jiàn)圖4,。

圖4：典型RC EMI濾波器與高速LC EMI濾波器(NUF2900)的響應(yīng)性能比較

    值得一提的是，手機(jī)中的高帶寬應(yīng)用越來(lái)越多,，顯示屏尺寸更大且分辨率更高,，而且空間受限，推動(dòng)并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向串行數(shù)據(jù),，解決方案就是采用低壓差分信令(LVDS)來(lái)串行MDDI,、MPPI、USB 2.0和uSerDes等數(shù)據(jù),，相應(yīng)地采用共模扼流圈(CMC) EMI/RFI濾波器,，通過(guò)高帶寬差分信號(hào),，同時(shí)濾除不需要的共模EMI/RFI信號(hào)。在這方面,，可以采用安森美半導(dǎo)體的NUC2401MN高速串行數(shù)據(jù)濾波器,。這是業(yè)界首款集成超低電容(0.8 pF) ESD保護(hù)和共模濾波技術(shù)的CMC濾波器,，采用小型2.0×2.2 mm DFN封裝,，單顆元件適合USB2.0(480 Mbps)、IEEE1394(400 Mbps),、MDDI(最高550 Mbps),、MIPI(最高1.0 Gbps)和HDMI 1.2(每通道最高1.32 Gbps)等多種高速設(shè)計(jì)，為這些應(yīng)用消除共模噪聲,，提供純凈的數(shù)據(jù)流,。

圖5：帶超低電容ESD保護(hù)的集成CMC濾波器NUF2401MN用于USB2.0等高速應(yīng)用

    值得一提的是，NUC2401MN與電容同樣低于1 pF的硅競(jìng)爭(zhēng)器件相比,，提供更優(yōu)異的ESD鉗位性能,，非常適合高速數(shù)據(jù)線路的EMI濾波及ESD保護(hù)應(yīng)用。

總結(jié)

    手機(jī)等便攜設(shè)備隨著數(shù)據(jù)率及時(shí)鐘頻率的提高,，越來(lái)越需要高性能的EMI濾波與ESD保護(hù)方案,。安森美半導(dǎo)體身為全球領(lǐng)先的高性能、高能效硅方案供應(yīng)商,，提供新的集成型EMI濾波器,，在提供優(yōu)異的EMI/RFI濾波性能的同時(shí)，還提供符合IEC61000-4-2 4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的ESD保護(hù)功能,，以單顆IC替代10顆甚至數(shù)十顆分立元件,，非常適合手機(jī)等便攜應(yīng)用中的音頻及數(shù)據(jù)線路應(yīng)用。