EMI濾波器 智慧手機 智慧型手機 Smart Phone C-R-C C-L-C EMI PCB ESD

先進多媒體功能作祟 智慧型手機EMI挑戰加劇

2011-04-28
每款新世代手機都強調提供比前代產品更多功能如整合主螢幕、副螢幕和解析度更高的相機模組以及在通話中同時使用螢幕、相機等功能。由此帶來的直接後果就是,主處理器、顯示子系統及成像器間的訊號速度和互連線數量大幅增加。
流行的滑蓋手機配置使用軟性印刷電路板(PCB)來連接主系統板與液晶顯示(LCD)模組。途經這些軟性PCB的訊號會導致其實際特性如天線一般,輻射電磁干擾(EMI)至外部環境中。要消除輻射的頻率和保護高速訊號的訊號完整性,就要使用更高性能的EMI濾波器及更高的靜電放電(ESD)保護水平,這就為現有方法帶來頗大壓力。

迄今為止,解決手機EMI問題最常用的濾波器架構,乃是以電容-電阻-電容(C-R-C)配置為基礎。在訊號完整性和系統強固性方面,業界已經到達此類傳統架構產生局限的關頭。因此,現今介面要求以更複雜的架構方法為基礎建構先進整合被動方案。

手機EMI問題傷腦筋

設計人員在選擇EMI濾波器時須顧及的主要要求,包括載波(Carrier)頻寬範圍(700M~2.5GHz)內的最高衰減等級、最高截止(Cut Off)頻率配合高資料率及保護訊號完整性、通頻帶(Pass Band)內最小插入損耗、最小傳播延遲、高ESD保護整合度、最小占位面積、高性價比。

整合被動方案已致力於解決上述最後兩項要求,擁有低價格點,並使用極小的占位面積--特別是在使用晶片尺寸封裝(CSP)類型時更是如此。隨著手機處理的資料量持續增多,同樣支援更高截止頻率以維持訊號完整性的需求變得更為強烈。然而,同時在臨界載波頻率提供盡可能最高等級衰減的要求仍然未變。

為了能使用以C-R-C為基礎的可選濾波器來增加截止頻率,供應商必須著重於降低線路電容。不利的是,這種做法有個很大的缺點,就是會導致在重要的截止頻率處衰減等級會大幅降低。而須要顧及的另一個C-R-C架構重要局限是,會使訊噪比(SNR)降低的通頻帶(傳統上約為-6dB)內插入損耗。此外,目前市場上的大多數解決方案並未整合確保產品壽命可被市場接受所要求的高等級ESD保護。

市場上存在此類產品需求包括:結合高截止頻率、急遽的下降率(Roll-off)及更高程度的衰減,同時還保持極強的SNR特性。以C-R-C為基礎的產品的需求將被以電容-電感-電容(C-L-C)為基礎的可選產品取代及替代。

確保訊號的完整性

使用傅立葉變換能夠為任何頻域訊號提供恰當的表徵,且能由此展開分析。當為方波訊號施加濾波器時,可以抑制截止頻帶(Stop Band)上的大多數諧波。為維持訊號完整性,盡可能保持愈多諧波越至關重要,這也解釋為何要求更高截止頻率的原因,一般而言,保留三到五次諧波就可以接受。

截止頻率愈高,訊號完整性就愈佳,上升時間愈快。從圖1可以看出,電阻等級愈高,插入損耗愈糟糕;電容愈低,截止頻率就會愈高。而圖2中的斜率是每倍頻程18分貝(18Db/octave)。插入損耗極接近0dB,截止頻率遠高於傳統C-R-C架構。圖3顯示此C-L-C架構在與整合電感相關的電阻方面的敏感度。

圖1 C-R-C濾波器架構中電阻與插入損耗的關係及電容與截止頻率的關係

圖2 與先進的C-L-C濾波器架構相關的衰減曲線

圖3 C-L-C濾波器架構在電阻值方面的敏感度

值得一提的是,C-L-C濾波器的通頻帶展現出兩個不同的下降率,也就是平緩的R-C下降率,及後面跟隨的陡峭得多的L-C下降率。與C-L-C濾波器相關的下降率要陡峭得多,截止頻率也高得多,因此從應用角度而言,能夠配合更高的資料傳輸率。

為了符合上述要求,市面上已有以電感為基礎的Praetorian先進專用整合被動(ASIP)產品,該產品使用的製程可從三個極點調節至六個極點,能將螺旋電感及其他被動元件和ESD保護二極體整合到單顆晶片上,因此能滿足上述單位成本、占位面積及性能要求。此外,該產品在700MHz頻帶提供截止頻帶衰減,SNR等級比傳統C-R-C方案高10dB,且通頻帶插入損耗要低得多。此架構低於-1dB,而其他架構為-6dB。它還有接近400MHz的更高截止頻率,讓資料傳輸率快達125MHz。與傳統C-R-C濾波器相比,還能提供更深的截止頻帶衰減,且上升時間和下降時間更快,這些對提供極佳訊號完整性非常重要。

此架構能夠用在生產可符合當今高速資料及成像介面所致EMI挑戰的高性能單晶片EMI濾波產品,這表示能夠有效避開工程師在低電容等級(目的是提供更高截止頻率)與降低濾波器衰減等級之間預期會做出的常規設計折衷。

總之,通過簡單地降低電容值來提升C-R-C濾波器的截止頻率並不切實可行,因為此舉不能充分抑制手機發射和接收頻帶的雜訊等級。創新的濾波器架構將螺旋及耦合電感與電阻、電容和ESD保護元件整合在相同的IC襯底上,能夠將當今手機設計中所有介面的訊號完整性最佳化。如此一來,螢幕介面、相機介面、音訊介面,以及任何對訊號品質高度敏感的輸出輸入(I/O),在高資料傳輸率下的性能仍能達到規定等級。

(本文作者任職於安森美半導體)

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