集成高速串行接口的EMI滤波及ESD保护问题

　　近年来，智能手机已经成为整体手机市场中增长速度最快的领域。对于智能手机而言，在连接显示屏、摄像头及数据端口I/O的接口方面，正越来越多地通过串行接口标准提供差分信令。这些串行接口标准有如移动行业处理器接口(MIPI?)、通用串行总线(USB)、高清多媒体接口(HDMI)及移动高清连接(MHL)等，它们支持的数据传输速率比传统的并行接口高得多，而且减少线路数量、配合采用更高像素的摄像头及更高分辨率的显示屏，从而优化用户体验。此外，串行接口也支持更低工作电压，帮助减少耗电量及延长电池使用时间。

　　集成高速串行接口的挑战

　　虽然采用高速串行接口既支持高数据率，又满足当代智能手机设计的空间限制，但集成串行接口也会带来不少挑战。首当其冲的便是电磁干扰(EMI)挑战，因为多条射频及时钟线路与接口耦合，会产生串扰。其次，集成高速串行接口时，复杂的刚性及柔性电路板布线会影响串行接口性能。此外，需要提供高信号完整性;如果信号完整性较差，会导致手机通话掉线、数据传输中断及用户体验较差。当然，如今智能手机中也在使用采用更精微几何尺寸工艺制造的芯片组，而这些芯片组更易于在发生静电放电(ESD)事件时遭受损伤。

　　现有EMI抑制方法及问题所在

　　由于在智能手机设计中集成高速串行接口存在上述挑战，设计人员就需要采取适当的EMI抑制及ESD保护方案。我们先来审视EMI抑制问题。

　　实际上，对于高速串行接口而言，差分信令已经成为其事实标准。与使用单端信号的相同接口相比，差分信令提供更强的噪声抑制。图1左侧中接收器作为基本的差分放大器，显示了差分信令的基本优势。由于两路差分信号呈180°异相，反相信号又被差分放大器反相后，两路差分信号在放大器输出端累加。图1右侧显示的是差分放大器输入相同的信号。它们称作共模信号，因为接收器的两路输入信号相同。这类信号可能是手机功率放大器与数据线路通过对线路直接辐射或对地耦合而产生的耦合导致的射频(RF)干扰造成的。这时差分放大器将消减共模信号，如图所示。

　　

 

　　图1：差分信令示意图

　　无源共模滤波器通过变压器耦合电感的动作提供类似的共模及差模特性，如图2所示。在图左侧，输入电流波形呈180°异相，用于传输差分信令。此电流与另一个线圈的感应电流同相，故仅会这线圈的串联阻抗削弱。图右侧显示的是耦合电感输入的共模或同相电流波形。

　　

 

　　图2：共模滤波(180°异相及同相)

　　上述使用共模滤波器(CMF)的无源滤波就是一种现有的EMI抑制方法，使高速差分信号能够通过滤波器，而不会影响信号完整性。差分信令衍生的共模噪声得到衰减，防止噪声与智能手机和无线网络之间的数据及语音通信产生干扰。对于移动手持设备而言，滤除蜂窝射频工作频率的共模噪声尤为重要，因为共模电流的辐射场强度会随着频率而线性增加。因此，如果没有恰当滤除共模噪声，手机中易受高频噪声影响的任何传输线路都可能是电磁干扰源。这种无源共模滤波方法明显减轻了干扰程度，而且对信号完整性不会有重大影响，而这对智能手机的普及尤为重要。

　　

 

　　图3：共模滤波

　　但对无源共模滤波方案而言，还是会滋生问题信号完整性。基于铁氧体及陶瓷的方案拥有相当浅的共模噪声衰减曲线，并不能强效地抑制700 MHz至2,500 MHz蜂窝射频频段的噪声。不仅如此，基于铁氧体的共模滤波器会衰减低频噪声，但在较高频率时衰减噪声能力会退化，造成蜂窝射频频段的噪声污染。其次，还有机械强固性问题。基于铁氧体及陶瓷的方案的构造及封装会使用铁氧体或低温共烧陶瓷(LTCC)作为构建线圈的衬底。基于较大铁氧体及陶瓷构建的方案性能最佳，但会占用大部分的电路板面积。基于较小铁氧体的方案衰减的共模噪声较少。此外，某些基于陶瓷或铁氧体的方案并未在其共模滤波器阵列中集成ESD保护功能，或者使用的是基于压敏电阻的保护方案，不能完好地保护接口及基带或应用处理器。

　　差分信令通常出现在多对线路中。以HDMI信令为例，有4条数据通道，表示有4对共模滤波器。MIPI差分信令、相机串行接口(CSI)及显示屏串行接口(DSI)要求最少2对差分信令(1对用于传输数据，1对传输数据接口的时钟信号)。

　　基于铁氧体或陶瓷的共模滤波器方案通过提供更大的LTCC衬底及将多对共模滤波器置于一起，解决了多对线路的共模滤波问题。增大衬底能够适应并排多个共模滤波器的需要，但也会带来机械强固性问题。铁氧体及LTCC衬底易碎，发生偶然坠落等事件时，可能遭受毁灭性损坏。铁氧体或LTCC衬底也可能会出现破裂，损坏共模滤波器结构的核心，致使元件不能用于EMI抑制或ESD滤波。