手機相機及液晶屏幕提升抗電磁干擾能力

手機相機及液晶屏幕提升抗電磁干擾能力
隨著手機中LCD及相機的視頻分辨率越高，數(shù)據(jù)工作的頻率將超過40MHz，對抑制無線EMI與ESD而言，傳統(tǒng)的濾波器方案已達到它們的技術(shù)極限。為適應(yīng)數(shù)據(jù)速率的增加且不中斷視頻訊號，設(shè)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。  
 
圖1：LCD模塊周圍的噪音與ESD傳輸路徑。 
 
隨
著無線市場的繼續(xù)發(fā)展，下一代手機將擁有更多的功能特性，例如帶多個彩色屏幕(每部手機至少有兩個彩色屏幕)以及百萬畫素以上的高分辨率相機等。  
 
仍舊受緊湊設(shè)計趨勢的推動，實現(xiàn)高分辨率LCD及相機將使設(shè)計者面臨多種挑戰(zhàn)，其中一個主要設(shè)計考慮便是這些新模塊對電磁干擾(EMI)的靈敏度。  
 
對于目前流行的許多手機(尤其是掀蓋式手機)來說，彩色LCD或相機CMOS傳感器是透過連接在手機(上下)兩個主要部份之間的柔性或長走線PCB與基頻控制器相連。  
 
圖2：GSM衰減頻率對應(yīng)濾波電容。 
 
一方面，該連接線會受到由天線輻射產(chǎn)生的寄生GSM/CDMA頻率干擾。另一方面，由于采用高分辨率CMOS傳感器及TFT模塊，數(shù)字訊號將工作于更高的頻率上，從而使該連接線會像天線一樣產(chǎn)生EMI/RFI輻射或造成ESD危害。  
 
總之，在上述兩種情況下，所有這些EMI及ESD干擾均會破壞視頻訊號的完整性，甚至損壞基頻控制器電路。 
 
為抑制這些EMI輻射并保證正常的數(shù)據(jù)傳輸，可考慮幾種濾波器解決方案，這可透過使用分離式阻容濾波器或整合的EMI濾波器來實現(xiàn)。  
 
EMI及ESD噪音抑制方法  
 
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訊號完整性等設(shè)計約束，目前已知的解決方案正在達到其技術(shù)極限。  
分離式濾波器不能為解決方案提供任何空間節(jié)省，而且還只能提供針對窄頻衰減的有限濾波性能，故大多數(shù)設(shè)計者目前都在考慮整合的EMI濾波器。  
 
圖3：新型濾波器單元結(jié)構(gòu)(串聯(lián)電阻為100奧姆，線電容為17pF)。 
 
在配有高分辨率LCD及嵌入式相機的手機中，訊號是透過特定頻率(取決于分辨率)從基頻ASIC被傳送至LCD及內(nèi)嵌的相機上。 
 
視頻分辨率越高，數(shù)據(jù)工作的頻率亦越高。目前為止，一般數(shù)據(jù)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制造商繼續(xù)將此頻率提高至40-60MHz。  
 
為適應(yīng)數(shù)據(jù)速率的增加且不中斷視頻訊號，設(shè)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)必須大約為頻率頻率的5倍。  
 
在目前的無線終端中，對于30至60萬畫素的相機模塊來說，頻率頻率大約介于6至12MHz之間。故建議將濾波器(上下)截止頻率選擇在30至50MHz范圍內(nèi)。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頻率頻率超過40MHz，濾波器截止頻率必須處于200MHz范圍內(nèi)。因此，可預(yù)見一些濾波器解決方案正在達到它們的極限。  
 
圖4：新型低電容EMI濾波器S21參數(shù)測量。 
表1為幾種濾波器電容值與截止頻率的對照，以及頻率兼容性。這顯示低電容濾波器是*適合高頻率、高速數(shù)據(jù)訊號傳輸?shù)慕鉀Q方案。  
不過設(shè)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(jié)構(gòu)會影響濾波器的高頻性能，且目前大多數(shù)低電容濾波器都不能在900MHz頻率上提供優(yōu)于-25dB的衰減性能。圖2顯示了EMI濾波電容對GSM頻率衰減的影響。  
除了對濾波性能有影響外，低電容濾波器還會影響ESD性能。由于較低的二極管電容可顯著減少ESD突波能力，因此在良好衰減、ESD性能及低電容濾波器結(jié)構(gòu)之間找到*佳折衷遂成為極大的挑戰(zhàn)。  
 
性能改進后的低電容EMI濾波器  
 
為滿足以低電容濾波器實現(xiàn)但同時保持高濾波性能這種矛盾的要求，意法半導(dǎo)體開發(fā)出在900MHz頻率上具有高頻衰減特性并采用超低電容結(jié)構(gòu)的新一代EMI濾波器。 
 
這些基于IPAD技術(shù)(整合主動、被動組件)的新型EMI濾波器，采用了帶整合ESD保護的標(biāo)準(zhǔn)PI濾波器結(jié)構(gòu)。圖3顯示了一種帶串聯(lián)電阻及電容的基本濾波器單元配置。  
 
圖5：分別通過高、低電容濾波器的40MHz數(shù)據(jù)傳輸測試結(jié)果比較。 
這種新型低電容結(jié)構(gòu)用來提供200MHz范圍內(nèi)的截止頻率，可支持頻率頻率超過40MHz的數(shù)據(jù)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的頻率范圍內(nèi)衰減特性優(yōu)于-35dB。  
圖4顯示采用此濾波器基本單元架構(gòu)的S21參數(shù)指標(biāo)。圖中顯示在900MHz頻率上具有35dB的衰減特性，這是一種透過17pF線電容整合EMI濾波器來達到的**性能。  
 
除濾波功能外，整合輸入齊納二極管還能抑制高達15kV的空中放電ESD沖擊，達到IEC61000-4-2第4級工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所要求的性能水平。  
 
高速數(shù)據(jù)兼容性  
 
為了不擾亂視頻訊號，新型低電容濾波器在設(shè)計時采用了經(jīng)過*佳化的線電容值，以支持頻率頻率高于40MHz的芯片組。  
這種結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)訊號上升、下降沿只有很小的影響，且組件輸入、輸出間幾乎沒有什么延遲。  
 
用*大2.8V、1ns的訊號對輸入Rt(10-90%上升沿)及Ft(10-90%下降沿)進行模擬，結(jié)果表明，由濾波器引起的延時(輸出與輸入訊號之差)不超過1ns。可以肯定，即使對于高分辨率LCD或相機應(yīng)用，也能完全保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。  
 
圖5顯示了工作于40MHz頻率上的3V視頻訊號分別通過高、低電容濾波器的傳輸情況比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，高電容結(jié)構(gòu)所引起的延時是低電容結(jié)構(gòu)的5至6倍。在這種情況下，訊號輸出電壓不能被正確地接收。  
 
表1：截止頻率及頻率訊號兼容性對應(yīng)濾波器解決方案。 
 
高整合解決方案  
 
與分離式設(shè)計相比，使用設(shè)計成帶層迭凸點的覆晶芯片封裝型整合EMI濾波器，可簡化PCB布局并節(jié)省高達80%的板面積。  
結(jié)果顯示，線整合率(PCB面積/線數(shù))大約為0.6。這意味著這些新型濾波器將在每線占去0.6mm2的PCB面積以提供EMI功能及ESD保護。  
建議該新型濾波器系列采用4、6及8條‘PI’線配置來提供設(shè)計靈活性并滿足大多數(shù)高速數(shù)據(jù)線設(shè)計要求。其PCB面積占用分別為2.4mm2、3.7mm2及5.0mm2，故幾乎可完全采用傳統(tǒng)的SOT323塑料封裝。  
 
意法的新型低電容EMI濾波器支持4、6及8線配置，每一種配置均包含側(cè)接有齊納二極管的RC濾波網(wǎng)絡(luò)。100奧姆的串聯(lián)電阻與17pF的線電容值被用來達到在0.8MHz至2GHz范圍內(nèi)*小30dB的衰減。組件的低電容意味著它們能被用于下一代頻率頻率超過40MHz的LCD顯示器及相機傳感器。