【導讀】設計人員需要為智能手機、平板電腦、數碼相機等便攜及無線、消費等應用選擇適合的電路保護及濾波方案。本文分析了電路保護的技術趨勢及EMI濾技術比較，結合具體手機設計應用示例，幫助設計人員選擇恰當的電路保護及濾波方案。
靜電放電(ESD)保護及電磁干擾(EMI)正在成為所有電氣設備越來越重要的考慮因素。消費者要求智能手機等便攜/無線設備具有更多功能特性及采用纖薄型工業設計，這就要求設計人員要求更加注重小外形封裝之中的ESD及EMI性能。本文將分析電路保護要求，比較不同的電路保護技術及濾波技術，介紹安森美半導體應用于典型電路保護及濾波應用的產品，幫助設計工程師設計出更可靠的便攜及消費類產品。
靜電放電(ESD)保護及電磁干擾(EMI)正在成為所有電氣設備越來越重要的考慮因素。消費者要求智能手機等便攜/無線設備具有更多功能特性及采用纖薄型工業設計，這就要求設計人員要求更加注重小外形封裝之中的ESD及EMI性能。本文將分析電路保護要求，比較不同的電路保護技術及濾波技術，介紹安森美半導體應用于典型電路保護及濾波應用的產品，幫助設計工程師設計出更可靠的便攜及消費類產品。
關鍵芯片組外部ESD保護要求
業界正在采用最先進的技術制造先進的系統級芯片(SoC)。設計人員為了優化功能及芯片尺寸，正在持續不斷地減小其芯片設計的最小特征尺寸。但相應的代價是：隨著特征尺寸減小，器件更易于遭受ESD損傷。當今的集成電路(IC)給保護功能所留下的設計窗口已經減小。ESD保護必須在安全過壓及過流區工作。隨著業界趨向以更小幾何尺寸和更低電壓制造更先進IC，IC的安全工作區也在縮小。
有效ESD保護的關鍵是限制ESD事件期間的電壓，令其處于給定芯片組的安全電壓窗口內。ESD保護產品實現有效ESD保護的方式，是在ESD事件期間提供接地的低阻抗電流路徑;用于新集成電路的保護產品需要更低的動態阻抗(Rdyn)，從而避免可能導致損傷的電壓。
由于給保護功能所留的設計窗口減小，選擇具有低動態阻抗的ESD保護產品變得更加重要，以此確保鉗位電壓不超過新芯片組的安全保護窗口。因此，ESD保護產品供應商必須提供保護產品有效性的信息，而非僅是保護產品自身的存續等級。
硅ESD保護技術與無源ESD保護技術比較
安森美半導體的保護及濾波方案基于先進的硅工藝。相比較而言，其它幾種低成本無源方案結合使用了陶瓷、鐵氧體及多層壓敏電阻(MLV)材料。這些類型器件傳統上ESD鉗位性能較弱。在某些無源方案中，下游器件會遭受的電壓比安森美半導體硅方案高出一個或多個數量級，下圖中的ESD屏幕截圖所示，其中比較了安森美半導體硅方案與競爭技術在8 kV ESD應力條件下的表現。競爭技術的導通電壓如此之高，以致于它根本不會激活，所測的電壓只不過是在50 Ω測量電路上的電壓降。其它一些更老技術甚至在經歷較少幾次ESD沖擊后性能就會下降。由于材料成分原因，某些無源器件往往在不同溫度條件下的性能表現不一致，因此在惡劣環境下的可靠性更低。
圖1：安森美半導體硅器件與無源競爭器件以50 Ω系統在8 kV測得的ESD鉗位性能比較
消除信號完整性問題的PicoGuard XS ESD保護技術
傳統ESD保護產品貼裝在信號走線與地之間，在信號路徑上不會產生中斷。為了將高速數據線路的信號完整性下降問題減至最輕，電容必須最小化，如圖2所示。
圖2：傳統ESD保護設計方法與PicoGuard XS比較。
安森美半導體優異的PicoGuard XS技術通過使信號路徑穿越保護產品，提供阻抗匹配的信號路徑，故而消除了信號完整性問題。PicoGuard XS技術平衡了封裝串聯電感與保護二極管電容，提供極佳的100 Ω信號路徑，與PCB上走線的阻抗匹配。此外，這種設計事實上省下了與保護二極管串聯的電感，因而將ESD事件起始階段的封裝引致電壓尖峰減至最小。
電磁干擾(EMI)濾波：單端濾波器與共模濾波器(CMF)
圖3：單端低通濾波器特性
安森美半導體提供兩種類型的EMI濾波器，分別是單端濾波器及共模濾波器。單端濾波器采用不同陣列配置來制造，用于并行接口。這些濾波器包括用于音頻等低速信號的通用電阻-電容(RC)型濾波器和用于較高速度及功率敏感型接口的電感-電容(LC)型濾波器。低通濾波器提供700 MHz至最高6 GHz范圍的截止頻率。截止頻率如圖8所示的S21圖所示。單端濾波器無法滿足高速差分接口的需求。差分接口擁有固有的噪聲抑制，但它們不能完全免受可能存在于來自外部源的共模噪聲的影響，亦不能防止接口信號輻射至系統其它元件。
這些應用中能使用共模濾波器(CMF)來消除不想要的共模噪聲，并防止高速信號輻射有害的共模噪聲信號至系統其它元件。同時，CMF還使想要的高速數據事實上不受影響地通過。典型的CMF特性如圖4所示，圖中顯示消除了共模噪聲，同時支持差模信號無損通過。
圖4：共模濾波器特性
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智能手機等便攜及消費產品電路保護及濾波應用示例。
1) USB 2.0接口濾波及保護
安森美半導體為USB 2.0接口提供適合1對高速線路及VCC的低電容ESD保護方案(如NUP4114UPX、NUP4114UCL、NUP4114H、ESD7L5.0及ESD9L5.0)，還提供適合1對高速線路及VCC的共模濾波器及ESD保護方案(EMI2121)，用于智能手機、數碼相機等便攜/無線產品中的USB 2.0接口。
圖5：USB 2.0接口濾波及保護
2) USB 3.0接口ESD保護
智能手機、平板電腦等便攜/無線設備的功能越來越多、性能越來越強、存儲容量越來越大，與外界的數據通信需求也越來越高。USB標準制定組織宣布，速度是USB 2.0十倍的USB 3.0端口有望在2012年度或2013年初支持智能手機和平板電腦設備。
圖6：USB 3.0接口ESD保護
安森美半導體為USB 3.0接口提供一系列方案，用于為2對超高速線路、1對高速線路及VCC提供低電容ESD保護。這些方案包括ESD7008(保護8條線路、0.12 pF電容、5.5 x 1.5 mm UDFN-18封裝)、ESD7104(保護4條線路、0.3 pF電容、2.5 x 1.0 mm UDFN-10封裝)、ESD7004(保護4條線路、0.4 pF電容、2.5 x 1.0 mm UDFN-10封裝)及ESD7L(保護2條線路、0.5 pF電容、1.2 x 1.2 mm SOT-723封裝)。
3) 相機及顯示屏并行接口及串行接口保護
安森美半導體為相機及顯示屏并行接口和串行接口提供保護方案。其中，適合4至12條線路并行接口的低通濾波器及ESD保護方案包括EMI720x系列、EMI940x系列、CM1693系列及CM1457系列;適合3至5對高速串行通道的共模濾波器及ESD保護方案包括EMI4182及EMI4183等。這些產品可用于智能手機和數碼相機等應用。
圖7：相機及顯示屏并行接口及串行接口保護
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4) 便攜產品HDMI端口濾波及保護
一些智能手機及平板電腦設計已經開始支持HDMI端口，配合用戶以更高速率傳輸音視頻數據的需求。安森美半導體提供適合于便攜產品HDMI端口濾波及保護的低阻抗共模濾波器(CMF)，適合為4對高速線路及最多6條額外接口線路提供低電容ESD保護及共模濾波。
圖8：便攜產品HDMI端口濾波及保護
5) 消費類產品HDMI及顯示屏端口保護
安森美半導體為消費類產品HDMI及顯示屏端口提供不同類型的濾波及保護方案，包括適合4對高速線路、最多6條額外線路的低電容ESD保護及共模濾波方案(EMI4182)，適合4對高速線路、最多6條額外線路的低電容ESD保護方案(ESD7004, MG2040)，以及適合4對高速線路、最多6條額外線路、內部阻抗匹配的ESD保護PicoGuard® XS。
圖9：消費類產品HDMI及顯示屏端口保護
6) 智能手機等應用的音頻濾波及保護
安森美半導體為揚聲器/耳機、差分麥克風、雙麥克風等應用提供相應的EMI濾波器及ESD保護方案，包括應用于揚聲器/耳機濾波及保護的NUF2441FC和NUF2450MU，以及用于差分/雙麥克風濾波及保護的CM6200和CM6205等。
圖10：智能手機等應用的音頻濾波及保護
