便携产品中的 EMI、ESD 器件整合应用新趋势中心议题： 常见 EMI/RFI 滤波器类型及滤波要求 集成 EMI 滤波与 ESD 保护 针对便携设备具体应用的 EMI 滤波+ESD 保护方案解决方案： 在音频应用中可以选用 LC 或 RC 类型的滤波器 显示屏和相机等数据线路可以采用 RC 滤波器 应用的数据率越高，滤波器线路的总电容就要越小如今的手机等便携设备的尺寸日趋小巧纤薄，同时又在集成越来越多的新功能或新特性，如大尺寸显示屏、高分辨率相机模块、高速数据接口、互联网接入、电视接收等，让便携设备的数据率及时钟频率越来越高。这样，便携设备面临着诸多潜在的电磁干扰(EMI)/射频干扰(RFI)源的风险，如开关负载、电源电压波动、短路、电感开关、雷电、开关电源、RF 放大器和功率放大器、带状线缆与视频显示屏的互连及时钟信号的高频噪声等。因此，设计人员需要针对音频插孔/耳机、USB 端口、扬声器、键盘、麦克风、相机、显示屏互连等多个位置，为便携设备选择适合的 EMI/RFI 滤波方案。常见 EMI/RFI 滤波器类型及滤波要求对于 EMI/RFI 滤波器而言，从架构上看，最常见的架构是“Pi” 滤波器，顾名思义，这种架构类似于希腊字母“”。常见的 型滤波器有两种，分别是 C-R-C(电容-电阻- 电容)滤波器和 C-L-C(电容- 电感-电容)滤波器。其中，C-R-C 滤波器(见图 1a)也称 RC- 型滤波器或 型 RC 滤波器，用于音频及低速数据滤波应用；C-L-C 滤波器( 见图 1b)也称作 LC- 型滤波器或 型 LC 滤波器，用于音频、低速及高速数据滤波应用。 型滤波器还有一种扩展类型，即形状象梯子的梯形滤波器，其中最常见的是 LC(电感电容)梯形滤波器(见图 1c)，这种滤波器承受更高的数据率，但在滤波元件( 电感或电容)增多时，尺寸和成本会成为问题，导致物料成本更高、封装更大。 图 1：常见 EMI/RFI 滤波器类型的结构示意图：a) 型 RC；b) 型 LC；c)LC 梯形。这几种类型的 EMI/RFI 滤波器中，从频幅响应比较来看， 型 RC 滤波器的跃迁带(transitionband)最宽，转折率(rolloff)最低； 型 LC 滤波器的转折率较低，但跃迁带适中；梯形滤波器则能实现极高的转折率及较窄的跃迁带宽。就 EMI/RFI 滤波而言，以手机应用为例，传统上的一个基准频率是 800MHz，因为 800MHz 接近手机所用频段的起始频率。大多数情况下，手机设计工程师要求在 800MHz 以上频率进行滤波，这一般意味着最低 30dB 的信号衰减。随着手机中功能的增多以及时钟与数据信号的分类，基准频率正在降低。许多便携电子产品制造商要求在400MHz 频率进行 EMI/RFI 滤波，未来可能还会要求在更低频率下进行 EMI/RFI 滤波。集成 EMI 滤波与 ESD 保护在便携产品中，滤波器一般位于邻近连接端口、麦克风和扬声器的位置。而恰好这些位置也可能面临静电放电(ESD)事件。以音频线路为例，如果采用分立元件方案来分别进行 EMI 滤波和 ESD 保护，就面临着执行这两项功能所需要的元器件数量问题。其中，就 EMI 滤波器而言，如果使用 1 个分立的 型 LC 滤波器，就需要 2 个表面贴装电容和 1 个表面贴装电感。为了提供 ESD 保护，还需要额外增加某种类型的表面贴装瞬态电压抑制器(TVS)二极管。这样，1 条音频线路的 EMI 滤波和 ESD 保护就需要 4 个独立元件，这里还未提及这些元件所需占用的便携设弥足珍贵的空间问题。如果不止 1 条音频线路，那采用分立元件方案就更不切实际了。因此，最简单的方案就是在同一个元件中集成 EMI 滤波与 ESD 保护功能。首先，集成方案中的集成型TVS 二极管也提供 EMI 滤波所需的电容；其次，改进工艺技术也可大幅提升集成型电感的质量。通过将这些集成型元器件集成到硅片上，原来需要多个独立元件的方案，就可以采用集成型 EMI 滤波+ESD 保护方案(参见图 2)。 图 2：集成型 EMI 滤波+ESD 保护方案：a) 型 RC；b) 型 LC；c)LC 梯形其中，在 ESD 保护等级方面， IEC61000-4-2 标准详细规定了系统级测试条件及保护等级，这等级分为 4种，便携应用通常需要的是第 4 级保护，即在 8kV 接触放电或 15kV 空气放电 IEC61000-4-2 测试条件下，便携设备需要能够承受住 ESD 事件冲击。总的来说，通过高性价比地集成 EMI 滤波与 ESD 保护，便携应用设计人员可以降低成本，减少物料单(BOM)元件数量，并减小电路板占用空间。针对便携设备具体应用的 EMI 滤波+ESD 保护方案在便携设备市场，手机占据重要位置。自然地，手机中诸多位置都会应用到集成 ESD 保护的滤波器。就手机应用而言，常用的滤波器除了 LC 和 RC 滤波器，还有共模扼流圈 EMI 滤波器，这种滤波器帮助减少寄生电感，提供更出色的共模滤波。这些手机滤波器的类型带宽频谱见图 3。 图 3：手机滤波器类型带宽频谱。不同的手机应用需要采用不同的滤波器。一般而言，应用的数据率越高，滤波器线路的总电容就要越小。对于音频线路等数据率相对较低的手机应用而言，EMI 滤波器的标准电容在几百个 pF 范围内，就足以提供优秀的滤波性能和最小的信号干扰。其中，在扬声器、麦克风、音频插孔/耳机等音频应用中，可以选用 LC 或 RC 类型的滤波器，如安森美半导体的 NUF2441FCT1G、NUF2450MUT1G 、NUF2114MNT1G、NUF2116MNT1G 和NUF4220MNT1G 等，这些滤波器均集成了 ESD 保护功能，保护 2 条至 4 条音频线路，二极管电容在数十 pF 到 240pF 之间。以 NUF2441FC 为例，这 LC 滤波器为 2 条音频线路提供 EMI 滤波与 IEC61000-4-2 第 4 级 ESD 保护功能，采用倒装芯片(flip-chip)封装，以单颗 IC 替代 2 颗电感、4 颗电容再加 4 颗TVS 二极管，帮助节省成本及减小电路板占用空间。NUF2450MUT1G 也是一款双线式 LC 型 EMI 滤波及 ESD 保护器件，在 800MHz 至 5.0GHz 频率范围下提供大于-30dB 的衰减；这器件采用节省空间的 uDFN1.21.80.5mm 的超小封装，提供 20MHz 的截止频率与极小的线路阻抗，非常适合需要低带通衰减的音频应用。NUF2114MNT1G 则是一款双线式 RC 型 EMI 滤波及 ESD 保护器件，采用 DFN8 封装，在 900MHz 至3.0GHz 频率下提供大于-30dB 的衰减，同样以单颗 IC 替代多达 10 颗分立元件，帮助降低成本及节省空间。在手机应用中，显示屏和相机等数据线路的带宽比音频更高，可以采用 RC 滤波器，如安森美半导体采用uDFN 封装的 NUF40xx、NUF60xx 和 NUF80xx 等系列器件。此外，安森美半导体还为数据线路滤波应用推出采用极小型 WDFN/uDFN 封装的 X3 系列 RC 滤波器，包括 NUF4310MN 和 NUF4110MN。新系列的 4 通道 RC 滤波器在 2.5V 电压时的线路电容仅为 17pF，集成了 40 个分立元件，提供极小占位面积(1.01.40.75mm/1.01.60.75mm)、极低阻抗(100)和业界领先的 ESD 保护(IEC61000-4-2 第 4级)，支持高达 120Mbps 带宽，适合手机、移动互连设备(MID)、便携式媒体播放器(PMP)、数码相机、膝上型电脑或上网本等便携产品的高分辨率相机模块和显示屏等应用。在上述手机高分辨率显示屏和相机接口等数据应用中，还可以采用高速 LC 滤波器，如安森美半导体的NUF2900MN。与传统 RC 滤波器相比，高速 LC 滤波器的截止频率更高、宽频衰减更大、插入损耗更低。如 NUF2900MN 的典型截止频率为 350MHz，在 800MHz 至 6.0GHz 频率时提供大于-30dB 的衰减，插入损耗性能也更具优势，参见图 4。图 4：典型 RCEMI 滤波器与高速 LCEMI 滤波器(NUF2900)的响应性能比较。值得一提的是，手机中的高带宽应用越来越多，显示屏尺寸更大且分辨率更高，而且空间受限，推动并行数据转向串行数据，解决方案就是采用低压差分信令(LVDS)来串行 MDDI、MPPI、USB2.0 和 uSerDes等数据，相应地采用共模扼流圈(CMC)EMI/RFI 滤波器，通过高带宽差分信号，同时滤除不需要的共模EMI/RFI 信号。在这方面，可以采用安森美半导体的 NUC2401MN 高速串行数据滤波器。这是业界首款集成超低电容(0.8pF)ESD 保护和共模滤波技术的 CMC 滤波器，采用小型 2.02.2mmDFN 封装，单颗元件适合USB2.0(480Mbps)、IEEE1394(400Mbps) 、MDDI(最高 550Mbps)、MIPI(最高 1.0Gbps)和 HDMI1.2(每通道最高 1.32Gbps)等多种高速设计，为这些应用消除共模噪声，提供纯净的数据流。 图 5：带超低电容 ESD 保护的集成 CMC 滤波器 NUF2401MN 用于 USB2.0 等高速应用。值得一提的是，NUC2401MN 与电容同样低于 1pF 的硅竞争器件相比，提供更优异的 ESD 钳位性能，非常适合高速数据线路的 EMI 滤波及 ESD 保护应用。手机等便携设备随着数据率及时钟频率的提高，越来越需要高性能的 EMI 滤波与 ESD 保护方案。安森美半导体身为全球领先的高性能、高能效硅方案供应商，提供新的集成型 EMI 滤波器，在提供优异的EMI/RFI 滤波性能的同时，还提供符合 IEC61000-4-24 级标准的 ESD 保护功能，以单颗 IC 替代 10 颗甚至数十颗分立元件，非常适合手机等便携应用中的音频及数据线路应用。