集成高速串行接口的EMI濾波及ESD保護(hù)問(wèn)題

　　近年來(lái)，智能手機(jī)已經(jīng)成為整體手機(jī)市場(chǎng)中增長(zhǎng)速度最快的領(lǐng)域。對(duì)于智能手機(jī)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(lái)越多地通過(guò)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(dòng)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(dòng)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(yàn)。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(zhǎng)電池使用時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)的空間限制，但集成串行接口也會(huì)帶來(lái)不少挑戰(zhàn)。首當(dāng)其沖的便是電磁干擾(EMI)挑戰(zhàn)，因?yàn)槎鄺l射頻及時(shí)鐘線路與接口耦合，會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。其次，集成高速串行接口時(shí)，復(fù)雜的剛性及柔性電路板布線會(huì)影響串行接口性能。此外，需要提供高信號(hào)完整性;如果信號(hào)完整性較差，會(huì)導(dǎo)致手機(jī)通話掉線、數(shù)據(jù)傳輸中斷及用戶體驗(yàn)較差。當(dāng)然，如今智能手機(jī)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(shí)遭受損傷。

　　現(xiàn)有EMI抑制方法及問(wèn)題所在

　　由于在智能手機(jī)設(shè)計(jì)中集成高速串行接口存在上述挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員就需要采取適當(dāng)?shù)腅MI抑制及ESD保護(hù)方案。我們先來(lái)審視EMI抑制問(wèn)題。

　　實(shí)際上，對(duì)于高速串行接口而言，差分信令已經(jīng)成為其事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。與使用單端信號(hào)的相同接口相比，差分信令提供更強(qiáng)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(shì)。由于兩路差分信號(hào)呈180°異相，反相信號(hào)又被差分放大器反相后，兩路差分信號(hào)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(hào)。它們稱作共模信號(hào)，因?yàn)榻邮掌鞯膬陕份斎胄盘?hào)相同。這類信號(hào)可能是手機(jī)功率放大器與數(shù)據(jù)線路通過(guò)對(duì)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(shí)差分放大器將消減共模信號(hào)，如圖所示。

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　　圖1：差分信令示意圖

　　無(wú)源共模濾波器通過(guò)變壓器耦合電感的動(dòng)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(gè)線圈的感應(yīng)電流同相，故僅會(huì)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?。

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　　圖2：共模濾波(180°異相及同相)

　　上述使用共模濾波器(CMF)的無(wú)源濾波就是一種現(xiàn)有的EMI抑制方法，使高速差分信號(hào)能夠通過(guò)濾波器，而不會(huì)影響信號(hào)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(jī)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)及語(yǔ)音通信產(chǎn)生干擾。對(duì)于移動(dòng)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?yàn)楣材ｋ娏鞯妮椛鋱?chǎng)強(qiáng)度會(huì)隨著頻率而線性增加。因此，如果沒(méi)有恰當(dāng)濾除共模噪聲，手機(jī)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(wú)源共模濾波方法明顯減輕了干擾程度，而且對(duì)信號(hào)完整性不會(huì)有重大影響，而這對(duì)智能手機(jī)的普及尤為重要。

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　　圖3：共模濾波

　　但對(duì)無(wú)源共模濾波方案而言，還是會(huì)滋生問(wèn)題信號(hào)完整性。基于鐵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(qiáng)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(huì)衰減低頻噪聲，但在較高頻率時(shí)衰減噪聲能力會(huì)退化，造成蜂窩射頻頻段的噪聲污染。其次，還有機(jī)械強(qiáng)固性問(wèn)題?；阼F氧體及陶瓷的方案的構(gòu)造及封裝會(huì)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(huì)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(hù)功能，或者使用的是基于壓敏電阻的保護(hù)方案，不能完好地保護(hù)接口及基帶或應(yīng)用處理器。

　　差分信令通常出現(xiàn)在多對(duì)線路中。以HDMI信令為例，有4條數(shù)據(jù)通道，表示有4對(duì)共模濾波器。MIPI差分信令、相機(jī)串行接口(CSI)及顯示屏串行接口(DSI)要求最少2對(duì)差分信令(1對(duì)用于傳輸數(shù)據(jù)，1對(duì)傳輸數(shù)據(jù)接口的時(shí)鐘信號(hào))。

　　基于鐵氧體或陶瓷的共模濾波器方案通過(guò)提供更大的LTCC襯底及將多對(duì)共模濾波器置于一起，解決了多對(duì)線路的共模濾波問(wèn)題。增大襯底能夠適應(yīng)并排多個(gè)共模濾波器的需要，但也會(huì)帶來(lái)機(jī)械強(qiáng)固性問(wèn)題。鐵氧體及LTCC襯底易碎，發(fā)生偶然墜落等事件時(shí)，可能遭受毀滅性損壞。鐵氧體或LTCC襯底也可能會(huì)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。