最新的消費(fèi)電子產(chǎn)品，如電視機(jī)、機(jī)頂盒或手機(jī)，都能相互連接在一起，或者至少都配備高速度數(shù)據(jù)接口。最終消費(fèi)者最常用的接口是USB或 HDMI/MHL高清多媒體接口，但是還有最終消費(fèi)者看不到的然而對(duì)于設(shè)計(jì)人員卻同等重要的內(nèi)部接口，例如，新出現(xiàn)的MDDI或MIPI接口，這些內(nèi)部接口用于連接電路板上不同的模塊或功能。例如，我們不能忽視手機(jī)相機(jī)傳感器或AMOLED顯示平板與手機(jī)主板的連接改用差分?jǐn)?shù)據(jù)線而棄用并行數(shù)據(jù)線的發(fā)展趨勢(shì)，因?yàn)椴罘謹(jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是可以提高數(shù)據(jù)速率和顯示器分辨率 ...

顯然，這些新接口正在形成一個(gè)新的富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境，同時(shí)加大了ESD和EMI現(xiàn)象對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的威脅。

當(dāng)然，傳統(tǒng)的EMI低通濾波器，如RC濾波器或LC濾波器，將很快達(dá)到濾波器的極限值，因此為適應(yīng)這些新的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)，我們必須開發(fā)新一代保護(hù)芯片。ECMF新系列保護(hù)芯片是以高性能濾波器享譽(yù)業(yè)界的意法半導(dǎo)體為滿足最新的超高速差分信號(hào)濾波和ESD保護(hù)要求而專門設(shè)計(jì)的新一代保護(hù)產(chǎn)品。  

全新的共模濾波器

過去，ESD保護(hù)或EMI濾波功能以使用RC或LC解決方案為主，例如 LTTC或硅芯片。但是，數(shù)據(jù)速率更高的總線的問世，以及差分信號(hào)傳輸替代并行總線的發(fā)展趨勢(shì)，自然迫使設(shè)計(jì)人員提高整個(gè)系統(tǒng)的EMC抗干擾性，尋求新的解決方案。毋庸置疑，考慮到LC或RC濾波器是由電感或電阻與接地電容器組成，特別是內(nèi)在電容效應(yīng)本身將會(huì)影響信號(hào)的完整性，這兩類濾波器將無法適應(yīng)數(shù)據(jù)總線不斷提高速率的趨勢(shì)。因此，只要抑制電容即可避免濾波器出現(xiàn)電容效應(yīng)；但是這種方法意味喪失濾波器芯片的濾波屬性。當(dāng)數(shù)據(jù)速率提高到每秒幾百兆位以上時(shí)，這種方法是一個(gè)進(jìn)退維谷的問題。

CMF濾波器又稱共模濾波器，是解決這個(gè)進(jìn)退兩難問題的好辦法，不僅支持受最高的數(shù)據(jù)速率，還是差分信號(hào)傳輸技術(shù)如USB、HDMI和MIPI的最佳保護(hù)方案。

保護(hù)USB2.0接口的共模濾波器

高速USB 2.0接口利用差分信號(hào)方法在兩條數(shù)據(jù)線上傳輸數(shù)據(jù)，最高傳輸速率達(dá)到480 Mbps。差分信號(hào)是指信號(hào)不以地線為基準(zhǔn)電壓，而是一個(gè)信號(hào)以另一個(gè)信號(hào)為基準(zhǔn)電壓。差分信號(hào)在兩條線上傳輸，每條線上的信號(hào)相位差180度，這意味著必須使用一個(gè)恰當(dāng)?shù)臑V波拓?fù)?，才能正確地濾除無用頻率，同時(shí)不會(huì)破壞目標(biāo)差分信號(hào)的完整性。

新款CMF濾波器讓目標(biāo)差分信號(hào)通過濾波器，但不會(huì)破壞差分信號(hào)的完整性，同時(shí)還能濾除共模信號(hào)。共模濾波器的電感特性為差分信號(hào)產(chǎn)生最大7 GHz的寬頻帶，同時(shí)為共模信號(hào)產(chǎn)生小于100 MHz的窄頻帶。

一個(gè)理想的共模濾波器可有選擇地抑制共模信號(hào)，同時(shí)放行差分信號(hào)，而不會(huì)對(duì)差分信號(hào)有任何影響。

差分模式的電流方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性相反，磁場(chǎng)被相互抵消，在這種情況下，經(jīng)過CMF濾波器的信號(hào)沒有遇到任何阻抗，更談不上信號(hào)衰減問題。

共模信號(hào)的電流向同一個(gè)方向流動(dòng)，在濾波器上產(chǎn)生一個(gè)同相磁場(chǎng)，兩個(gè)磁場(chǎng)相互疊加。結(jié)果，軛流圈對(duì)于共模信號(hào)是一個(gè)很大的阻抗，因此會(huì)降低共模信號(hào)的完整性。

SCC21標(biāo)準(zhǔn)描述了共模衰減的基本特性，如下圖所示:

USB 480 Mbps信號(hào)可產(chǎn)生240 MHz基頻 。因?yàn)樵撔盘?hào)本身是方波，我們不難估算出傳送信號(hào)所需的帶寬。利用傅利葉級(jí)數(shù)逼近算法，最后所需帶寬大約是基頻的三倍。因此，差分信號(hào)傳輸至少需要720 MHz的帶寬。從SCC21標(biāo)準(zhǔn)的共模濾波圖中不難看出，為了讓三次諧波通過濾波器，部分符合的要求的頻率被濾除。

我們對(duì)一個(gè)內(nèi)置意法半導(dǎo)體的ECMF濾波器的USB接口進(jìn)行測(cè)試，從USB 480Mb/s的眼狀圖中可以看出，該接口設(shè)計(jì)100%符合USB高速數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)信號(hào)衰減度測(cè)量值在900MHz時(shí)達(dá)到30db。

這個(gè)原理還適用于更高速度的接口，例如，MIPI 或HDMI/MHL接口。

上圖顯示的測(cè)試結(jié)果與在USB 2.0上所做的測(cè)試完全相同，現(xiàn)在，我們?cè)跀?shù)據(jù)傳輸速率更高的接口如HDMI720p上再做一次測(cè)試。

下圖是一個(gè)MIPI接口的諧波測(cè)量結(jié)果，濾波器放行的MIPI信號(hào)的最高頻率800Mhz(200Mhz 時(shí)鐘信號(hào)的四次諧波) ，同時(shí)濾除900Mhz到 2.2Ghz的噪聲。

鑒于共模濾波器支持高達(dá)千兆位級(jí)（Gb/s）的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)可抑制高達(dá)千兆赫茲（GHz）的共模噪聲，我們得出結(jié)論，共模濾波器是差分信號(hào)傳輸技術(shù)的最佳濾波解決方案。

MIPI和HDMI接口EMI濾波器

內(nèi)置ESD保護(hù)功能的濾波器

濾除EMI/RFI噪聲很重要，防止ESD損壞甚至損毀內(nèi)部電路同樣也很重要。顯然，前述的所有接口都安裝在外部端口內(nèi)，當(dāng)用戶插入或拔除插頭時(shí)，ESD事件很容易損壞這些接口。通常情況下，把CMF濾波器與附加的外部器件如保護(hù)型芯片配合使用，可以有效防止主芯片被擊穿，如下圖所示(15kV接觸放電電壓在芯片氧化層產(chǎn)生的熔點(diǎn))。

意法半導(dǎo)體的新款ECMF濾波器在同一顆芯片上整合了ESD保護(hù)電路，如下圖所示：

像意法半導(dǎo)體的ECMF一樣，集成低電容ESD保護(hù)電路的共模濾波器能夠?yàn)楦咚贁?shù)據(jù)接口提供完美且安全的ESD防護(hù)功能，使最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到要求最嚴(yán)格的IEC61000-4-2半導(dǎo)體元器件15kV空氣放電和8kV接觸放電標(biāo)準(zhǔn)。

濾除和保護(hù)功能比較

談到ESD保護(hù)問題，有一個(gè)重要因素需要注意，當(dāng)施加靜電放電脈沖時(shí)，直接連在保護(hù)電路后面的被保護(hù)芯片不能接受過高的電壓，這個(gè)參數(shù)被稱為鉗位電壓。

為了評(píng)估不同的共模濾波器拓?fù)?，測(cè)量ESD保護(hù)性能，我們圍繞鉗位電壓值，進(jìn)行了幾次ESD測(cè)試。下面的圖示描述了測(cè)試過程。我們使用一支靜電槍對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行8kV接觸放電測(cè)試，同時(shí)在CMF濾波器后面連接示波儀捕捉電壓波形變化。

這種實(shí)驗(yàn)方法可精確地模擬在一次ESD靜電放電事件后印刷電路板所承受的電壓值。在這些條件下，在8kV靜電放電后，輸出電壓測(cè)量值為50V，這是目前最低的鉗位電壓，因此是ECMF當(dāng)前市場(chǎng)上最安全的CMF濾波器+TVS瞬變電壓抑制解決方案。

為使用共模濾波器獲得最佳的RFI/EMI噪聲衰減度，設(shè)計(jì)人員必須參考幾個(gè)重要參數(shù)，其中帶寬是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。這個(gè)數(shù)值是對(duì)諧波頻率的估算結(jié)果，對(duì)應(yīng)濾波器準(zhǔn)許通過的最大信號(hào)頻率。傳送1 GHz信號(hào)的三次諧波至少需要3-4 GHz的帶寬，這是避免數(shù)據(jù)完整性被破壞的一個(gè)要素。

下表是ECMF濾波器與市場(chǎng)上其它品牌濾波器的帶寬比較表。 我們假設(shè)帶寬是在SDD21參數(shù)的最大衰減度-3db下取得的。