如今的手機等便攜設備的尺寸日趨小巧纖薄，同時又在集成越來越多的新功能或新特性,，如大尺寸顯示屏,、高分辨率相機模塊、高速數(shù)據(jù)接口,、互聯(lián)網(wǎng)接入,、電視接收等，讓便攜設備的數(shù)據(jù)率及時鐘頻率越來越高,。這樣,，便攜設備面臨著諸多潛在的電磁干擾(EMI)/射頻干擾(RFI)源的風險，如開關負載,、電源電壓波動,、短路、電感開關,、雷電,、開關電源、RF放大器和功率放大器,、帶狀線纜與視頻顯示屏的互連及時鐘信號的高頻噪聲等,。因此，設計人員需要針對音頻插孔/耳機,、USB端口,、揚聲器、鍵盤,、麥克風,、相機、顯示屏互連等多個位置,，為便攜設備選擇適合的EMI/RFI濾波方案,。
常見EMI/RFI濾波器類型及濾波要求
對于EMI/RFI濾波器而言，從架構(gòu)上看,，最常見的架構(gòu)是“Pi”濾波器,，顧名思義，這種架構(gòu)類似于希臘字母“π”,。常見的π型濾波器有兩種,，分別是C-R-C(電容-電阻-電容)濾波器和C-L-C(電容-電感-電容)濾波器。其中,，C-R-C濾波器(見圖1a)也稱RC-π型濾波器或π型RC濾波器,，用于音頻及低速數(shù)據(jù)濾波應用；C-L-C濾波器(見圖1b)也稱作LC-π型濾波器或π型LC濾波器，用于音頻,、低速及高速數(shù)據(jù)濾波應用,。
π型濾波器還有一種擴展類型，即形狀象梯子的梯形濾波器,，其中最常見的是LC(電感電容)梯形濾波器(見圖1c),，這種濾波器承受更高的數(shù)據(jù)率，但在濾波元件(電感或電容)增多時,，尺寸和成本會成為問題,，導致物料成本更高、封裝更大,。
圖1：常見EMI/RFI濾波器類型的結(jié)構(gòu)示意圖：a) π型RC,；b) π型LC；c) LC梯形
這幾種類型的EMI/RFI濾波器中,，從頻幅響應比較來看,，π型RC濾波器的躍遷帶(transition band)最寬，轉(zhuǎn)折率(rolloff)最低,；π型LC濾波器的轉(zhuǎn)折率較低,，但躍遷帶適中；梯形濾波器則能實現(xiàn)極高的轉(zhuǎn)折率及較窄的躍遷帶寬,。
就EMI/RFI濾波而言，以手機應用為例,，傳統(tǒng)上的一個基準頻率是800 MHz,，因為800 MHz接近手機所用頻段的起始頻率。大多數(shù)情況下,，手機設計工程師要求在800 MHz以上頻率進行濾波,，這一般意味著最低30 dB的信號衰減。隨著手機中功能的增多以及時鐘與數(shù)據(jù)信號的分類,，基準頻率正在降低,。許多便攜電子產(chǎn)品制造商要求在400 MHz頻率進行EMI/RFI濾波，未來可能還會要求在更低頻率下進行EMI/RFI濾波,。
集成EMI濾波與ESD保護
在便攜產(chǎn)品中,，濾波器一般位于鄰近連接端口、麥克風和揚聲器的位置,。而恰好這些位置也可能面臨靜電放電(ESD)事件,。以音頻線路為例，如果采用分立元件方案來分別進行EMI濾波和ESD保護,，就面臨著執(zhí)行這兩項功能所需要的元器件數(shù)量問題,。其中，就EMI濾波器而言,，如果使用1個分立的π型LC濾波器,，就需要2個表面貼裝電容和1個表面貼裝電感,。為了提供ESD保護，還需要額外增加某種類型的表面貼裝瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)二極管,。這樣,，1條音頻線路的EMI濾波和ESD保護就需要4個獨立元件，這里還未提及這些元件所需占用的便攜設彌足珍貴的空間問題,。如果不止1條音頻線路,，那采用分立元件方案就更不切實際了。
因此,，最簡單的方案就是在同一個元件中集成EMI濾波與ESD保護功能,。首先，集成方案中的集成型TVS二極管也提供EMI濾波所需的電容,；其次,，改進工藝技術(shù)也可大幅提升集成型電感的質(zhì)量。通過將這些集成型元器件集成到硅片上,，原來需要多個獨立元件的方案,，就可以采用集成型EMI濾波+ESD保護方案(參見圖2)。
圖2：集成型EMI濾波+ESD保護方案：a) π型RC,；b) π型LC,；c) LC梯形
其中，在ESD保護等級方面,，IEC61000-4-2標準詳細規(guī)定了系統(tǒng)級測試條件及保護等級,，這等級分為4種，便攜應用通常需要的是第4級保護,，即在8 kV接觸放電或15 kV空氣放電IEC61000-4-2測試條件下,，便攜設備需要能夠承受住ESD事件沖擊。
總的來說,，通過高性價比地集成EMI濾波與ESD保護,，便攜應用設計人員可以降低成本，減少物料單(BOM)元件數(shù)量,，并減小電路板占用空間,。
針對便攜設備具體應用的EMI濾波+ESD保護方案
在便攜設備市場，手機占據(jù)重要位置,。自然地,，手機中諸多位置都會應用到集成ESD保護的濾波器。就手機應用而言,，常用的濾波器除了LC和RC濾波器,，還有共模扼流圈EMI濾波器，這種濾波器幫助減少寄生電感，提供更出色的共模濾波,。這些手機濾波器的類型帶寬頻譜見圖3,。
圖3：手機濾波器類型帶寬頻譜
不同的手機應用需要采用不同的濾波器。一般而言,，應用的數(shù)據(jù)率越高,，濾波器線路的總電容就要越小。對于音頻線路等數(shù)據(jù)率相對較低的手機應用而言,，EMI濾波器的標準電容在幾百個pF范圍內(nèi),，就足以提供優(yōu)秀的濾波性能和最小的信號干擾。
其中,，在揚聲器,、麥克風、音頻插孔/耳機等音頻應用中,，可以選用LC或RC類型的濾波器,，如安森美半導體的NUF2441FCT1G、NUF2450MUT1G,、NUF2114MNT1G,、NUF2116MNT1G和NUF4220MNT1G等，這些濾波器均集成了ESD保護功能,，保護2條至4條音頻線路,，二極管電容在數(shù)十pF到240 pF之間。以NUF2441FC為例,，這LC濾波器為2條音頻線路提供EMI濾波與IEC61000-4-2第4級 ESD保護功能,，采用倒裝芯片(flip-chip)封裝，以單顆IC替代2顆電感,、4顆電容再加4顆TVS二極管，幫助節(jié)省成本及減小電路板占用空間,。NUF2450MUT1G也是一款雙線式LC型EMI濾波及ESD保護器件,，在800 MHz至5.0 GHz頻率范圍下提供大于-30 dB的衰減；這器件采用節(jié)省空間的uDFN 1.2×1.8×0.5 mm的超小封裝,，提供20 MHz的截止頻率與極小的線路阻抗,，非常適合需要低帶通衰減的音頻應用。NUF2114MNT1G則是一款雙線式RC型EMI濾波及ESD保護器件,，采用DFN8封裝,，在900 MHz至3.0 GHz頻率下提供大于-30 dB的衰減，同樣以單顆IC替代多達10顆分立元件,，幫助降低成本及節(jié)省空間,。
在手機應用中，顯示屏和相機等數(shù)據(jù)線路的帶寬比音頻更高，可以采用RC濾波器,，如安森美半導體采用uDFN封裝的NUF40xx,、NUF60xx和NUF80xx等系列器件。此外,，安森美半導體還為數(shù)據(jù)線路濾波應用推出采用極小型WDFN/uDFN封裝的X3系列RC濾波器,，包括NUF4310MN和NUF4110MN。這新系列的4通道RC濾波器在2.5 V電壓時的線路電容僅為17 pF,，集成了40個分立元件,，提供極小占位面積(1.0×1.4×0.75 mm/1.0×1.6×0.75 mm)、極低阻抗(100 Ω)和業(yè)界領先的ESD保護(IEC61000-4-2第4級),，支持高達120 Mbps帶寬,，適合手機、移動互連設備(MID),、便攜式媒體播放器(PMP),、數(shù)碼相機、膝上型電腦或上網(wǎng)本等便攜產(chǎn)品的高分辨率相機模塊和顯示屏等應用,。
在上述手機高分辨率顯示屏和相機接口等數(shù)據(jù)應用中,，還可以采用高速LC濾波器，如安森美半導體的NUF2900MN,。與傳統(tǒng)RC濾波器相比,，高速LC濾波器的截止頻率更高、寬頻衰減更大,、插入損耗更低,。如NUF2900MN的典型截止頻率為350 MHz，在800 MHz至6.0 GHz頻率時提供大于-30 dB的衰減,，插入損耗性能也更具優(yōu)勢,，參見圖4。
圖4：典型RC EMI濾波器與高速LC EMI濾波器(NUF2900)的響應性能比較
值得一提的是,，手機中的高帶寬應用越來越多,，顯示屏尺寸更大且分辨率更高，而且空間受限,，推動并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向串行數(shù)據(jù),，解決方案就是采用低壓差分信令(LVDS)來串行MDDI、MPPI,、USB 2.0和uSerDes等數(shù)據(jù),，相應地采用共模扼流圈(CMC) EMI/RFI濾波器，通過高帶寬差分信號,，同時濾除不需要的共模EMI/RFI信號,。在這方面,，可以采用安森美半導體的NUC2401MN高速串行數(shù)據(jù)濾波器。這是業(yè)界首款集成超低電容(0.8 pF) ESD保護和共模濾波技術(shù)的CMC濾波器,，采用小型2.0×2.2 mm DFN封裝,，單顆元件適合USB2.0(480 Mbps)、IEEE1394(400 Mbps),、MDDI(最高550 Mbps),、MIPI(最高1.0 Gbps)和HDMI 1.2(每通道最高1.32 Gbps)等多種高速設計，為這些應用消除共模噪聲,，提供純凈的數(shù)據(jù)流,。
圖5：帶超低電容ESD保護的集成CMC濾波器NUF2401MN用于USB2.0等高速應用
值得一提的是，NUC2401MN與電容同樣低于1 pF的硅競爭器件相比,，提供更優(yōu)異的ESD鉗位性能,，非常適合高速數(shù)據(jù)線路的EMI濾波及ESD保護應用。
總結(jié)
手機等便攜設備隨著數(shù)據(jù)率及時鐘頻率的提高,，越來越需要高性能的EMI濾波與ESD保護方案,。安森美半導體身為全球領先的高性能、高能效硅方案供應商,，提供新的集成型EMI濾波器,，在提供優(yōu)異的EMI/RFI濾波性能的同時，還提供符合IEC61000-4-2 4級標準的ESD保護功能,，以單顆IC替代10顆甚至數(shù)十顆分立元件,，非常適合手機等便攜應用中的音頻及數(shù)據(jù)線路應用。