智能手机设计中的EMI和ESD问题（2）

手机EMI抗干扰功能 在某情况下，ESD问题并不是工程师要解决的唯一问题。因为手机发射和传送RF信号时，很多组件受到RF辐射，因此，必须抑制RF辐射以保护正常的工作。甚至在某些情况下，某些IC自己也会产生RF辐射以及射频干扰。 基本上，很多接口都会容易受到GSM脉冲的攻击，如音频线路或LCD或相机模块，产生能够听见的噪声或可以看见的屏幕抖动。这就是在设计手机时强烈推荐EMI滤波器的原因。 在某种意义上，EMI辐射抑制已成为下一代手机如多频手机或3G手机的关键问题，因为现有解决方案即将达到技术极限。 采用分立的电阻和电容的单一阻容PI型滤波器设计不再是节省空间的解决方案。此外，因为衰减带宽很窄，阻容滤波器的滤波性能极差。对于空间限制极严，工作频率扩大几个频段的多频手机和3G手机，这类滤波器的缺陷明显。 设计师开始关注衰减大和衰减频带宽的低通滤波器，以硅为材料的集成EMI滤波器是适合所有这些需求的滤波器，它表现出极宽的衰减范围，从800MHz到2GHz或3GHz，S21参数超过30db等。同时，这些滤波器可针对高速数据应用实现低寄生电容结构和超小的PCB空间。 硅EMI滤波器：LC型还是RC型? 今天，半导体供应商正在提供LC型或RC型滤波器，问题在于如何为正确的应用选择正确的技术。 对上文提及的两种技术的纯滤波性能进行对比，在某种意义上我们看见相似的滤波特性，两种结构都表现出极宽的抑制频带。这些主要特性的取得归功于能够最大限度降低滤波器(无论是RC还是LC型)的寄生电感的集成概念。 然后，LC滤波器能够优化低频的插入损耗。与RC滤波器相比，滤波特性在技术规格中确实存在明显的差别。但是考虑到特性曲线是在50Ω环境中测量到的，设计师可能注意到，在应用条件下，因为多数IC是高阻抗元器件，RC滤波器的串联电阻或LC滤波器的串联电感对插入损耗的影响可忽略不计。因此，即使在滤波器技术规格中看到插入损耗的差异，这个差异也不真地适合应用条件。 尽管如此，我们可以使RC或LC滤波器信号传输能力实现差异化。特别是在高频下，LC滤波器可能具有RC滤波器绝对没有的某些振荡效应。这些寄生振荡可能会干扰信号甚至会产生比RC滤波器更长的延迟时间。最后，EMI滤波器是使用硅RC还是LC，两者之间没有明显的性能差异，因为它们的特性在实际应用中基本相同，低阻抗环境除外。顺便提及一下，考虑到现有的硅技术，电阻的集成密度比电感器高出很多。因此，LC滤波器的制造成本高于RC滤波器。 现在让我们对比无源LC滤波器和硅RC滤波器，大家熟知的两者之间的差异是，无源技术基于集成变阻器(而硅滤波器集成的是二极管)。因此，这种滤波器不如硅RC滤波器耐用，同时过滤特性类似于分立电容器，这意味着抑制频带尖而窄，不能为新一代多频手机100%优化。 滤波器的RC耦合是设计人员必须精心选择的首要特性，本质上说，应用的信号传输速度越快，滤波器线路的总电容就应该越小。 因此，对于UART、RS232或音频线路，标准电容在几百个pF范围内的EMI滤波器足以确保优秀的滤波性能和最小的信号干扰。 对于高速接口像LCD或CMOS传感器，滤波器的寄生电容对视频信号完整性的影响很大，所以电容值必须降到最低限度，几十个兆赫兹的频率，电容必须小于20pF。 这又带来了新的问题，因为滤波器的滤波性能会因为本身电容变小而降低。 因为最近的半导体设计，现在市场上出现了超低电容EMI滤波器结构，以及超高衰减量、宽带抑制和符合IEC61000-4-2第4级的ESD保护功能。意法半导体是市场上率先推出电容超低、抑制带宽极大并符合IEC61000-4-2第4级安全标准的滤波器结构，EMIF08-VID01F2在800MHz到3GHz频带内可以实现30dB以上的衰减抑制，同时在3V工作电压时其线电容只有17pF。 要想取得最佳的滤波性能，除考虑硅产品本身的特性外，还要考虑组件的封装和布局，这就是大多数基于硅的EMI滤波器采用400um管脚间距的倒装片封装或microQFN封装的原因。微型封装的主要优势之处是寄生电感影响小，从而最大限度地提高了高频下的衰减特性；其次微型封装尺寸小，有助产品的微型化趋势。 400um管脚间距还可简化和最小化滤波器与I/O连接端子之间的布局连接，因此，使用管脚间距较小的新封装有助于提高PCB＋布局＋滤波器的系统整体性能。与分立的电容和电阻占用的PCB空间相比，像EMIF08这样的倒装片和mQFN封装的硅滤波器可节省PCB空间近70%，将组件数量从18个减少到1个，同时还能维持或降低应用的整体成本。 最后，RC硅滤波器是一个具有竞争力的解决方案，其过滤性能、ESD保护和PCB空间占用超过了分立解决方案。除单纯的性能对比外，集成解决方案更适合新一代手机对宽衰减带宽和高密度集成的需求。 本文小结 在手机设计的初始阶段，ESD和EMI问题变得越来越突出，必须根据实际应用选择专门的方法来解决ESD和EMI问题。虽然保护组件本身的性能十分关键，但是布局考虑也有助于提高系统的整体防护性能。 为提高新一代手机的EMI抗干扰性能和ESD抗静电性能，ST在2006年全面增强了产品组合，推出了微型超薄单线ESD保护产品，这是一个产品型号齐全的ESD阵列，其microQFN封装占用空间比SOT666和其它专用产品如USB2.0接口专用超低电容保护组件低40%。此外，新系列EMI滤波器取得了新的突破，在一个倒装片或400um管脚间距的microQFN封装内组装了超小或超大的电容结构。