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高速差分数据传输EMI低通滤波器

gecimao 发表于 2019-05-29 03:08 | 查看: | 回复:

  过去,ESD保护或EMI滤波功能以使用RC或LC解决方案为主,例如 LTTC或硅芯片。但是,数据速率更高的总线的问世,以及差分信号传输替代并行总线的发展趋势,自然迫使设计人员提高整个系统的EMC抗干扰性,寻求新的解决方案。毋庸置疑,考虑到LC或RC滤波器是由电感或电阻与接地电容器组成,特别是内在电容效应本身将会影响信号的完整性,这两类滤波器将无法适应数据总线不断提高速率的趋势。因此,只要抑制电容即可避免滤波器出现电容效应;但是这种方法意味丧失滤波器芯片的滤波属性。当数据速率提高到每秒几百兆位以上时,这种方法是一个进退维谷的问题。

  CMF滤波器又称共模滤波器,是解决这个进退两难问题的好办法,不仅支持受最高的数据速率,还是差分信号传输技术如USB、HDMI和MIPI的最佳保护方案。

  高速USB 2.0接口利用差分信号方法在两条数据线上传输数据,最高传输速率达到480 Mbps。差分信号是指信号不以地线为基准电压,而是一个信号以另一个信号为基准电压。差分信号在两条线上传输,每条线度,这意味着必须使用一个恰当的滤波拓扑,才能正确地滤除无用频率,同时不会破坏目标差分信号的完整性。

  新款CMF滤波器让目标差分信号通过滤波器,但不会破坏差分信号的完整性,同时还能滤除共模信号。共模滤波器的电感特性为差分信号产生最大7 GHz的宽频带,同时为共模信号产生小于100 MHz的窄频带。

  一个理想的共模滤波器可有选择地抑制共模信号,同时放行差分信号,而不会对差分信号有任何影响。

  差分模式的电流方向相反,产生的磁场的极性相反,磁场被相互抵消,在这种情况下,经过

  共模信号的电流向同一个方向流动,在滤波器上产生一个同相磁场,两个磁场相互叠加。结果,轭流圈对于共模信号是一个很大的阻抗,因此会降低共模信号的完整性。

  USB 480 Mbps信号可产生240 MHz基频 。因为该信号本身是方波,我们不难估算出传送信号所需的带宽。利用傅利叶级数逼近算法,最后所需带宽大约是基频的三倍。因此,差分信号传输至少需要720 MHz的带宽。从SCC21标准的共模滤波图中不难看出,为了让三次谐波通过滤波器,部分符合的要求的频率被滤除。

  我们对一个内置意法半导体的ECMF滤波器的USB接口进行测试,从USB 480Mb/s的眼状图中可以看出,该接口设计100%符合USB高速数据传输标准,同时信号衰减度测量值在900MHz时达到30db。

  这个原理还适用于更高速度的接口,例如,MIPI 或HDMI/MHL接口。

  上图显示的测试结果与在USB 2.0上所做的测试完全相同,现在,我们在数据传输速率更高的接口如HDMI720p上再做一次测试。

  下图是一个MIPI接口的谐波测量结果,滤波器放行的MIPI信号的最高频率800Mhz(200Mhz 时钟信号的四次谐波) ,同时滤除900Mhz到 2.2Ghz的噪声。

  鉴于共模滤波器支持高达千兆位级(Gb/s)的数据速率,同时可抑制高达千兆赫兹(GHz)的共模噪声,我们得出结论,共模滤波器是差分信号传输技术的最佳滤波解决方案。

  滤除EMI/RFI噪声很重要,防止ESD损坏甚至损毁内部电路同样也很重要。显然,前述的所有接口都安装在外部端口内,当用户插入或拔除插头时,ESD事件很容易损坏这些接口。通常情况下,把CMF滤波器与附加的外部器件如保护型芯片配合使用,可以有效防止主芯片被击穿,如下图所示(15kV接触放电电压在芯片氧化层产生的熔点)。

  意法半导体的新款ECMF滤波器在同一颗芯片上整合了ESD保护电路,如下图所示:

  像意法半导体的ECMF一样,集成低电容ESD保护电路的共模滤波器能够为高速数据接口提供完美且安全的ESD防护功能,使最终产品设计达到要求最严格的IEC61000-4-2半导体元器件15kV空气放电和8kV接触放电标准。

  谈到ESD保护问题,有一个重要因素需要注意,当施加静电放电脉冲时,直接连在保护电路后面的被保护芯片不能接受过高的电压,这个参数被称为钳位电压。

  为了评估不同的共模滤波器拓扑,测量ESD保护性能,我们围绕钳位电压值,进行了几次ESD测试。下面的图示描述了测试过程。我们使用一支静电枪对被测器件进行8kV接触放电测试,同时在CMF滤波器后面连接示波仪捕捉电压波形变化。

  这种实验方法可精确地模拟在一次ESD静电放电事件后印刷电路板所承受的电压值。在这些条件下,在8kV静电放电后,输出电压测量值为50V,这是目前最低的钳位电压,因此是ECMF当前市场上最安全的CMF滤波器+TVS瞬变电压抑制解决方案。

  为使用共模滤波器获得最佳的RFI/EMI噪声衰减度,设计人员必须参考几个重要参数,其中带宽是一个至关重要的参数。这个数值是对谐波频率的估算结果,对应滤波器准许通过的最大信号频率。传送1 GHz信号的三次谐波至少需要3-4 GHz的带宽,这是避免数据完整性被破坏的一个要素。

  下表是ECMF滤波器与市场上其它品牌滤波器的带宽比较表。 我们假设带宽是在SDD21参数的最大衰减度-3db下取得的。

  解决方案1和2表明,在一个LTTC结构内增加变阻器,将会提高滤波器固有电容,导致带宽降低。虽然硅技术可以提升性能,但是,通过比较解决方案3和4,我们发现意法半导体的单片解决的性能优于双片解决方案(解决方案3)。

  除比较滤波性能外,我们还需比较ESD保护性能。通过测量不同解决方案的钳位电压值,设计人员可评估并找出最适合保护整个系统的达到IEC安全要求的技术和拓扑。

  为了更好地评估比较内置变阻器的LTTC滤波器的性能和在印刷电路板上外接齐纳二极管的LTTC滤波器的性能,我们又做了几项ESD测试。

  红色测量值表示外接齐纳二极管的LTTC共模滤波器。在施加一次8kV接触静电放电脉冲后,钳位电压上升到250V,几乎是内置TVS保护二极管的硅滤波器解决方案的5倍。

  蓝色测量结果代表内置变阻器的LTTC共模滤波器。因为集成在滤波器内部,寄生电容值被降低,该滤波器的钳位电压较红色测量数值明显改进。但是,钳位电压上还是上升到150V,依然是意法半导体的内置TVS保护二极管的单片共模滤波器的3倍。

  便携应用设计人员最关心的问题是减少元器件的数量,优化印刷电路板的空间和系统成本。在这个方面,集成技术给设计人员带来多个好处,促使设计人员在设计中选择共模滤波器,从而推动新的共模滤波器发展。正前文所述,因为集成技术抑制寄生电感,使数据带宽和衰减度都得到提升,所以,通过在一颗芯片上集成多个功能,共模滤波器的ESD和滤波性能均大幅提升。事实上,保护二极管被集成到滤波器结构内,有助于简化系统设计,减少印刷电路板上的连接线;因此,没有寄生电感影响滤波抑制效果和保护性能。

  从优化电路板空间角度考虑,集成技术是必选技术。内置保护器件的共模滤波器大幅缩减印刷电路板空间,同时减少元器件的数量。下图是一个外接两个保护芯片(采用0402封装的TVS二极管)的双线LTTC共模滤波器与实现同一功能的意法半导体单片ECMF滤波器的比较图。

  基于LTTC滤波器的解决方案在印刷电路板上占用大约4.5mm2的空间,而ESD保护滤波二合一芯片CMF占板仅为2.8mm2,节省印刷电路板空间40%。考虑到元器件的间隙,意法半导体解决的优势就更加明显,节省空间超过50%。

  此外,这个采用意法半导体的CMF滤波器的设计范例还能使元器件数量节省70%。

  这个内置保护芯片的新一代共模滤波器为设计人员带来多重好处。除特别适合在高速差分信号应用中滤除扰动和抑制噪声外,新产品还特别适合加强EMC抗干扰性能,大幅度缩减印刷电路板上的元器件数量,最终缩减印刷电路板的面积。

  意法半导体的内置ESD保护芯片的新一代CMF滤波器共有两款产品:双线 和四线,这两款产品都采用塑料通孔封装,封装面积分别为1.7mm x 1.6 mm和1.5 mm x 3.3mm。针对希望设计外观尺寸更小的便携产品设计人员,意法半导体还推出了WCSP封装的CMF滤波器。

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