高速差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸EMI低通濾波器
[導(dǎo)讀]過(guò)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(wèn)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
過(guò)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(wèn)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(wú)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(wèn)題。
CMF濾波器又稱共模濾波器，是解決這個(gè)進(jìn)退兩難問(wèn)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)洌拍苷_地濾除無(wú)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(guò)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(guò)CMF濾波器的信號(hào)沒(méi)有遇到任何阻抗，更談不上信號(hào)衰減問(wèn)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(guò)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)?strong>數(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
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：
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(guò)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。
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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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。
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濾波器帶寬
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解決方案1
有/無(wú)保護(hù)器件的LTTC濾波器 |
4Ghz
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解決方案 2
內(nèi)置變阻器的LTTC濾波器 |
3Ghz
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解決方案 3
內(nèi)置TVS的硅濾波器 |
3Ghz
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解決方案 4
意法半導(dǎo)體的內(nèi)置TVS的硅濾波器 |
7Ghz
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解決方案1和2表明，在一個(gè)LTTC結(jié)構(gòu)內(nèi)增加變阻器，將會(huì)提高濾波器固有電容，導(dǎo)致帶寬降低。雖然硅技術(shù)可以提升性能，但是，通過(guò)比較解決方案3和4，我們發(fā)現(xiàn)意法半導(dǎo)體的單片解決的性能優(yōu)于雙片解決方案（解決方案3）。
系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化
除比較濾波性能外，我們還需比較ESD保護(hù)性能。通過(guò)測(cè)量不同解決方案的鉗位電壓值，設(shè)計(jì)人員可評(píng)估并找出最適合保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的達(dá)到IEC安全要求的技術(shù)和拓?fù)洹?/div>
紅色測(cè)量值表示外接齊納二極管的LTTC共模濾波器。在施加一次8kV接觸靜電放電脈沖后，鉗位電壓上升到250V，幾乎是內(nèi)置TVS保護(hù)二極管的硅濾波器解決方案的5倍。
為了更好地評(píng)估比較內(nèi)置變阻器的LTTC濾波器的性能和在印刷電路板上外接齊納二極管的LTTC濾波器的性能，我們又做了幾項(xiàng)ESD測(cè)試。
紅色測(cè)量值表示外接齊納二極管的LTTC共模濾波器。在施加一次8kV接觸靜電放電脈沖后，鉗位電壓上升到250V，幾乎是內(nèi)置TVS保護(hù)二極管的硅濾波器解決方案的5倍。
藍(lán)色測(cè)量結(jié)果代表內(nèi)置變阻器的LTTC共模濾波器。因?yàn)榧稍跒V波器內(nèi)部，寄生電容值被降低，該濾波器的鉗位電壓較紅色測(cè)量數(shù)值明顯改進(jìn)。但是，鉗位電壓上還是上升到150V，依然是意法半導(dǎo)體的內(nèi)置TVS保護(hù)二極管的單片共模濾波器的3倍。
便攜應(yīng)用設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問(wèn)題是減少元器件的數(shù)量，優(yōu)化印刷電路板的空間和系統(tǒng)成本。在這個(gè)方面，集成技術(shù)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)多個(gè)好處，促使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中選擇共模濾波器，從而推動(dòng)新的共模濾波器發(fā)展。正前文所述，因?yàn)榧杉夹g(shù)抑制寄生電感，使數(shù)據(jù)帶寬和衰減度都得到提升，所以，通過(guò)在一顆芯片上集成多個(gè)功能，共模濾波器的ESD和濾波性能均大幅提升。事實(shí)上，保護(hù)二極管被集成到濾波器結(jié)構(gòu)內(nèi)，有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少印刷電路板上的連接線；因此，沒(méi)有寄生電感影響濾波抑制效果和保護(hù)性能。
從優(yōu)化電路板空間角度考慮，集成技術(shù)是必選技術(shù)。內(nèi)置保護(hù)器件的共模濾波器大幅縮減印刷電路板空間，同時(shí)減少元器件的數(shù)量。下圖是一個(gè)外接兩個(gè)保護(hù)芯片（采用0402封裝的TVS二極管）的雙線LTTC共模濾波器與實(shí)現(xiàn)同一功能的意法半導(dǎo)體單片ECMF濾波器的比較圖。
基于LTTC濾波器的解決方案在印刷電路板上占用大約4.5mm2的空間，而ESD保護(hù)濾波二合一芯片CMF占板僅為2.8mm2，節(jié)省印刷電路板空間40%?？紤]到元器件的間隙，意法半導(dǎo)體解決的優(yōu)勢(shì)就更加明顯，節(jié)省空間超過(guò)50%。
此外，這個(gè)采用意法半導(dǎo)體的CMF濾波器的設(shè)計(jì)范例還能使元器件數(shù)量節(jié)省70%。
結(jié)論
這個(gè)內(nèi)置保護(hù)芯片的新一代共模濾波器為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)多重好處。除特別適合在高速差分信號(hào)應(yīng)用中濾除擾動(dòng)和抑制噪聲外，新產(chǎn)品還特別適合加強(qiáng)EMC抗干擾性能，大幅度縮減印刷電路板上的元器件數(shù)量，最終縮減印刷電路板的面積。
意法半導(dǎo)體的內(nèi)置ESD保護(hù)芯片的新一代CMF濾波器共有兩款產(chǎn)品：雙線 ECMF02-2AMX6 和四線ECMF04-4AMX12，這兩款產(chǎn)品都采用塑料通孔封裝，封裝面積分別為1.7mm x 1.6 mm和1.5 mm x 3.3mm。針對(duì)希望設(shè)計(jì)外觀尺寸更小的便攜產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，意法半導(dǎo)體還推出了WCSP封裝的CMF濾波器。
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