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高分辨率LCD及相機麵臨的EMI敏感性

發布時間：2019-06-03 責任編輯：wenwei

【導讀】隨著手機中LCD及相機的視頻分辨率越高，數據工作的頻率將超過40MHz，對抑製無線EMI與ESD而言，傳統的濾波器方案已達到它們的技術極限。為適應數據速率的增加且不中斷視頻信號，設計者可以選擇本文討論的新型低電容、高濾波性能EMI濾波器。

隨著無線市場的繼續發展，下一代手機將擁有更多的功能特性，例如帶多個彩屏(每部手機至少有兩個彩屏)以及百萬像素以上的高分辨率相機等。

仍舊受緊湊設計趨勢的推動，實現高分辨率LCD及相機將使設計者麵臨多種挑戰，其中一個主要設計考慮便是這些新模塊對電磁幹擾(EMI)的敏感性。

對於目前流行的許多手機(尤其是翻蓋型手機)來說，彩色LCD或相機CMOS傳感器通過連接在手機(上下)兩個主要部分之間的柔性或長走線PCB與基帶控製器相連。

一方麵，該連接線會受到由天線輻射出的寄生GSM/CDMA頻率的幹擾。另一方麵，由於高分辨率CMOS傳感器及TFT模塊的引入，數字信號工作於更高的頻率上，從而使該連接線會像天線一樣產生EMI/RFI或可能造成ESD危險事件。

總之，在上述兩種情況下，所有這些EMI及ESD幹擾均會破壞視頻信號的完整性，甚至損壞基帶控製器電路。

為抑製這些EMI輻射並保證正常的數據傳輸，可考慮實現幾種濾波器解決方案，這可通過使用分立阻容濾波器或集成的EMI濾波器來實現。

EMI及ESD噪聲抑製方法

如果考慮到板空間、手機工作頻率上的高濾波性能以及保存信號完整性等設計約束，目前已知的解決方案正在達到其技術極限。

分立濾波器不能為解決方案提供任何空間節省，而且還隻能提供針對窄帶衰減的有限濾波性能，故大多數設計者目前都在考慮集成的EMI濾波器。

在配有高分辨率LCD及嵌入式相機的手機中，信號是通過特定頻率(取決於分辨率)從基帶ASIC被傳送至LCD及內嵌的相機上。

視頻分辨率越高，數據工作的頻率亦越高。迄今為止，一般數據工作在大約6至20MHz的頻率上，且分辨率的競賽還會促使相機模塊製造商繼續將此頻率提高至40-60MHz。

為適應數據速率的增加且不中斷視頻信號，設計者必須選擇考慮了理論建議的低電容的濾波器，即：濾波器截止頻率(1/2πRC)必須大約為時鍾頻率的5倍。

在目前的無線終端中，對於30至60萬像素的相機模塊來說，時鍾頻率大約介於6至12MHz之間。故建議將濾波器(上下)截止頻率選擇在30至50MHz範圍內。很多濾波器解決方案都遵循此理論建議，但隨著分辨率的提高以及時鍾頻率超過40MHz，濾波器截止頻率必須處於200MHz範圍內。因此，可預見一些濾波器解決方案正在達到它們的極限。

試驗給出了幾種濾波器電容值與截止頻率的對照，以及時鍾兼容性。這表明低電容濾波器是最適合高頻率、高速數據信號傳輸的解決方案。

不過設計者知道，在濾波電容值與GSM/CDMA頻率上的衰減特性之間存在著無法解決的折衷問題。低電容結構會影響濾波器的高頻性能，且目前大多數低電容濾波器都不能在900MHz頻率上提供優於-25dB的衰減性能。顯示了EMI濾波電容對GSM頻率衰減的影響。

除對濾波性能有影響外，低電容濾波器還會影響ESD性能。考慮到較低的二極管電容可顯著減少ESD浪湧能力，故在良好衰減、ESD性能及低電容濾波器結構之間找到最佳折衷極具挑戰性。

性能改進後的低電容EMI濾波器

為滿足以低電容濾波器實現但同時保持高濾波性能這種矛盾的要求，某半導體公司開發出在900MHz頻率上具有高頻衰減特性並采用超低電容結構的新一代EMI濾波器。

這些基於IPAD技術(集成有源、無源器件)的新型EMI濾波器，采用了帶集成ESD保護的標準PI濾波器結構。圖表示一種帶串聯電阻及電容的基本濾波器單元配置。

這種新型低電容結構用來提供200MHz範圍內的截止頻率，可支持時鍾頻率超過40MHz的數據速率。

盡管二極管電容已被極大地減少至8.5pF，但它能提供出色的濾波性能，即在大約900MHz的頻率範圍內衰減特性優於-35dB。

圖顯示采用此濾波器基本單元架構的S21參數指標。圖中顯示在900MHz頻率上具有35dB的衰減特性，這是一種通過17pF線電容集成EMI濾波器來達到的空前性能。

除濾波功能外，集成輸入齊納二極管還能抑製高達15kV的空中放電ESD衝擊，達到了IEC61000-4-2第4級工業標準所要求的性能水平。

高速數據兼容性

為了不擾亂視頻信號，新型低電容濾波器在設計時采用了經過優化的線電容值，以支持時鍾頻率高於40MHz的芯片組。

這種結構對數據信號上升、下降沿隻有很小的影響，且器件輸入、輸出間幾乎沒有什麼延時。

用最大2.8V、1ns的信號對輸入Rt(10-90%上升沿)及 Ft(10-90%下降沿)進行仿真，結果表明，由濾波器引起的延時(輸出與輸入信號之差)不超過1ns。可以肯定，即使對於高分辨率LCD或相機應用，也能完全保持數據的完整性。

圖顯示了工作於40MHz頻率上的3V視頻信號分別通過高、低電容濾波器的傳輸情況比較。可以發現，高電容結構所引起的延時是低電容結構的5至6倍。在這種情況下，信號輸出電壓不能被正確地接收。

高集成解決方案

與分立設計相比，使用設計成帶層疊凸點的倒裝芯片封裝型集成EMI濾波器，可簡化PCB布局並節省高達80%的板麵積。

結果表明，線集成率(PCB麵積/線數)大約為0.6。這意味著這些新型濾波器可以每線占去0.6mm2的PCB麵積來提供EMI功能及ESD保護。

建議該新型濾波器係列采用4、6及8條“PI”線配置來提供設計靈活性並滿足大多數高速數據線設計要求。其PCB麵積占用分別為2.4mm2、3.7mm2及5.0mm2，故幾乎可完全采用傳統的SOT323塑料封裝。

半導體公司的新型低電容EMI濾波器支持4、6及8線配置，每一種配置均包含側接有齊納二極管的RC濾波網絡。100歐姆的串聯電阻與17pF的線電容值被用來達到在0.8MHz至2GHz範圍內最小30dB的衰減。器件的低電容意味著它們能被用於下一代時鍾頻率超過40MHz的LCD顯示器及相機傳感器。

本文轉載自電磁兼容之家。

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