集成高速串行接口的EMI濾波及ESD保護問題

　　近年來，智能手機已經(jīng)成為整體手機市場中增長速度最快的領(lǐng)域。對于智能手機而言，在連接顯示屏、攝像頭及數(shù)據(jù)端口I/O的接口方面，正越來越多地通過串行接口標(biāo)準(zhǔn)提供差分信令。這些串行接口標(biāo)準(zhǔn)有如移動行業(yè)處理器接口(MIPI?)、通用串行總線(USB)、高清多媒體接口(HDMI)及移動高清連接(MHL)等，它們支持的數(shù)據(jù)傳輸速率比傳統(tǒng)的并行接口高得多，而且減少線路數(shù)量、配合采用更高像素的攝像頭及更高分辨率的顯示屏，從而優(yōu)化用戶體驗。此外，串行接口也支持更低工作電壓，幫助減少耗電量及延長電池使用時間。

　　集成高速串行接口的挑戰(zhàn)

　　雖然采用高速串行接口既支持高數(shù)據(jù)率，又滿足當(dāng)代智能手機設(shè)計的空間限制，但集成串行接口也會帶來不少挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的便是電磁干擾(EMI)挑戰(zhàn)，因為多條射頻及時鐘線路與接口耦合，會產(chǎn)生串?dāng)_。其次，集成高速串行接口時，復(fù)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(dǎo)致手機通話掉線、數(shù)據(jù)傳輸中斷及用戶體驗較差。當(dāng)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(fā)生靜電放電(ESD)事件時遭受損傷。

　　現(xiàn)有EMI抑制方法及問題所在

　　由于在智能手機設(shè)計中集成高速串行接口存在上述挑戰(zhàn)，設(shè)計人員就需要采取適當(dāng)?shù)腅MI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(jīng)成為其事實標(biāo)準(zhǔn)。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(cè)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(yōu)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(cè)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(shù)據(jù)線路通過對線路直接輻射或?qū)Φ伛詈隙a(chǎn)生的耦合導(dǎo)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(cè)，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(yīng)電流同相，故僅會這線圈的串聯(lián)阻抗削弱。圖右側(cè)顯示的是耦合電感輸入的共?；蛲嚯娏鞑ㄐ?。

　　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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)及語音通信產(chǎn)生干擾。對于移動手持設(shè)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(dāng)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?；阼F氧體及陶瓷的方案擁有相當(dāng)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?；阼F氧體及陶瓷的方案的構(gòu)造及封裝會使用鐵氧體或低溫共燒陶瓷(LTCC)作為構(gòu)建線圈的襯底。基于較大鐵氧體及陶瓷構(gòu)建的方案性能最佳，但會占用大部分的電路板面積?；谳^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(yīng)用處理器。

　　差分信令通常出現(xiàn)在多對線路中。以HDMI信令為例，有4條數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，1對傳輸數(shù)據(jù)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(yīng)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(fā)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(xiàn)破裂，損壞共模濾波器結(jié)構(gòu)的核心，致使元件不能用于EMI抑制或ESD濾波。