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[经验] 如何抑制手机中的EMI和ESD噪声干扰

2019-12-21 08:00:00  1083 EMI ESD 智能手机
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下一代手机仍旧受紧凑设计趋势的推动,实现高分辨率 LCD 及相机将使设计者面临多种挑战,其中一个主要设计考虑便是这些新模块对电磁干扰(EMI)的敏感性。
随着手机中 LCD 及相机的视频分辨率越高,数据工作的频率将超过 40MHz,对抑制无线 EMI 与 ESD 而言,传统的滤波器方案已达到它们的技术极限。为适应数据速率的增加且不中断视频信号,设计者可以选择本文讨论的新型低电容、高滤波性能 EMI 滤波器。

随着无线市场的继续发展,下一代手机将拥有更多的功能特性,例如带多个彩屏(每部手机至少有两个彩屏)以及百万像素以上的高分辨率相机等。
仍旧受紧凑设计趋势的推动,实现高分辨率 LCD 及相机将使设计者面临多种挑战,其中一个主要设计考虑便是这些新模块对电磁干扰(EMI)的敏感性。
对于目前流行的许多手机(尤其是翻盖型手机)来说,彩色 LCD 或相机 CMOS 传感器通过连接在手机(上下)两个主要部分之间的柔性或长走线 PCB 与基带控制器相连。
一方面,该连接线会受到由天线辐射出的寄生 GSM/CDMA 频率的干扰。另一方面,由于高分辨率 CMOS 传感器及 TFT 模块的引入,数字信号工作于更高的频率上,从而使该连接线会像天线一样产生 EMI/RFI 或可能造成 ESD 危险事件。
总之,在上述两种情况下,所有这些 EMI 及 ESD 干扰均会破坏视频信号的完整性,甚至损坏基带控制器电路
为抑制这些 EMI 辐射并保证正常的数据传输,可考虑实现几种滤波器解决方案,这可通过使用分立阻容滤波器或集成的 EMI 滤波器来实现。
EMI 及 ESD 噪声抑制方法
如果考虑到板空间、手机工作频率上的高滤波性能以及保存信号完整性等设计约束,目前已知的解决方案正在达到其技术极限。
分立滤波器不能为解决方案提供任何空间节省,而且还只能提供针对窄带衰减的有限滤波性能,故大多数设计者目前都在考虑集成的 EMI 滤波器。
在配有高分辨率 LCD 及嵌入式相机的手机中,信号是通过特定频率(取决于分辨率)从基带 ASIC 被传送至 LCD 及内嵌的相机上。
视频分辨率越高,数据工作的频率亦越高。迄今为止,一般数据工作在大约 6 至 20MHz 的频率上,且分辨率的竞赛还会促使相机模块制造商继续将此频率提高至 40-60MHz。
为适应数据速率的增加且不中断视频信号,设计者必须选择考虑了理论建议的低电容的滤波器,即:滤波器截止频率(1/2πRC)必须大约为时钟频率的 5 倍。
在目前的无线终端中,对于 30 至 60 万像素的相机模块来说,时钟频率大约介于 6 至 12MHz 之间。故建议将滤波器(上下)截止频率选择在 30 至 50MHz 范围内。很多滤波器解决方案都遵循此理论建议,但随着分辨率的提高以及时钟频率超过 40MHz,滤波器截止频率必须处于 200MHz 范围内。因此,可预见一些滤波器解决方案正在达到它们的极限。
试验给出了几种滤波器电容值与截止频率的对照,以及时钟兼容性。这表明低电容滤波器是最适合高频率、高速数据信号传输的解决方案。
不过设计者知道,在滤波电容值与 GSM/CDMA 频率上的衰减特性之间存在着无法解决的折衷问题。低电容结构会影响滤波器的高频性能,且目前大多数低电容滤波器都不能在 900MHz 频率上提供优于 -25dB 的衰减性能。显示了 EMI 滤波电容对 GSM 频率衰减的影响。
除对滤波性能有影响外,低电容滤波器还会影响 ESD 性能。考虑到较低的二极管电容可显著减少 ESD 浪涌能力,故在良好衰减、ESD 性能及低电容滤波器结构之间找到最佳折衷极具挑战性。
性能改进后的低电容 EMI 滤波器
为满足以低电容滤波器实现但同时保持高滤波性能这种矛盾的要求,某半导体公司开发出在 900MHz 频率上具有高频衰减特性并采用超低电容结构的新一代 EMI 滤波器。
这些基于 IPAD 技术(集成有源、无源器件)的新型 EMI 滤波器,采用了带集成 ESD 保护的标准 PI 滤波器结构。图表示一种带串联电阻及电容的基本滤波器单元配置。
这种新型低电容结构用来提供 200MHz 范围内的截止频率,可支持时钟频率超过 40MHz 的数据速率。
尽管二极管电容已被极大地减少至 8.5pF,但它能提供出色的滤波性能,即在大约 900MHz 的频率范围内衰减特性优于 -35dB。
图显示采用此滤波器基本单元架构的 S21 参数指标。图中显示在 900MHz 频率上具有 35dB 的衰减特性,这是一种通过 17pF 线电容集成 EMI 滤波器来达到的空前性能。
除滤波功能外,集成输入齐纳二极管还能抑制高达 15kV 的空中放电 ESD 冲击,达到了 IEC61000-4-2 第 4 级工业标准所要求的性能水平。
高速数据兼容性
为了不扰乱视频信号,新型低电容滤波器在设计时采用了经过优化的线电容值,以支持时钟频率高于 40MHz 的芯片组
这种结构对数据信号上升、下降沿只有很小的影响,且器件输入、输出间几乎没有什么延时。
用最大 2.8V、1ns 的信号对输入 Rt(10-90%上升沿)及 Ft(10-90%下降沿)进行仿真,结果表明,由滤波器引起的延时(输出与输入信号之差)不超过 1ns。可以肯定,即使对于高分辨率 LCD 或相机应用,也能完全保持数据的完整性。
图显示了工作于 40MHz 频率上的 3V 视频信号分别通过高、低电容滤波器的传输情况比较。可以发现,高电容结构所引起的延时是低电容结构的 5 至 6 倍。在这种情况下,信号输出电压不能被正确地接收。
高集成解决方案
与分立设计相比,使用设计成带层叠凸点的倒装芯片封装型集成 EMI 滤波器,可简化 PCB 布局并节省高达 80%的板面积。
结果表明,线集成率(PCB 面积 / 线数)大约为 0.6。这意味着这些新型滤波器可以每线占去 0.6mm2 的 PCB 面积来提供 EMI 功能及 ESD 保护。
建议该新型滤波器系列采用 4、6 及 8 条“PI”线配置来提供设计灵活性并满足大多数高速数据线设计要求。其 PCB 面积占用分别为 2.4mm2、3.7mm2 及 5.0mm2,故几乎可完全采用传统的 SOT323 塑料封装。
半导体公司的新型低电容 EMI 滤波器支持 4、6 及 8 线配置,每一种配置均包含侧接有齐纳二极管的 RC 滤波网络。100 欧姆的串联电阻与 17pF 的线电容值被用来达到在 0.8MHz 至 2GHz 范围内最小 30dB 的衰减。器件的低电容意味着它们能被用于下一代时钟频率超过 40MHz 的 LCD 显示器及相机传感器。

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王栋春 2019-12-21 13:00:09
学习一下         
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lstkyxf 2019-12-21 14:49:16
进来好好学习!
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