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，數據工作的頻率將超過40MHz，對抑制無線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訊號，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。  
 
圖1：LCD模塊周圍的噪音與ESD傳輸路徑。 
 
隨
著無線市場的繼續發展，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。  
 
仍舊受緊湊設計趨勢的推動，實現高分辨率LCD及相機將使設計者面臨多種挑戰，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衰減頻率對應濾波電容。 
 
一方面，該連接線會受到由天線輻射產生的寄生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據傳輸，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。  
 
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計約束，目前已知的解決方案正在達到其技術極限。  
分離式濾波器不能為解決方案提供任何空間節省，而且還只能提供針對窄頻衰減的有限濾波性能，故大多數設計者目前都在考慮整合的EMI濾波器。  
 
圖3：新型濾波器單元結構(串聯電阻為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及內嵌的相機上。 
 
視頻分辨率越高，數據工作的頻率亦越高。目前為止，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制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訊號，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。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。因此，可預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、高速數據訊號傳輸的解決方案。  
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構之間找到*佳折衷遂成為極大的挑戰。  
 
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但同時保持高濾波性能這種矛盾的要求，意法半導體開發出在900MHz頻率上具有高頻衰減特性并采用超低電容結構的新一代EMI濾波器。 
 
這些基于IPAD技術(整合主動、被動組件)的新型EMI濾波器，采用了帶整合ESD保護的標準PI濾波器結構。圖3顯示了一種帶串聯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數據傳輸測試結果比較。 
這種新型低電容結構用來提供200MHz范圍內的截止頻率，可支持頻率頻率超過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的頻率范圍內衰減特性優于-35dB。  
圖4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級工業標準所要求的性能水平。  
 
高速數據兼容性  
 
為了不擾亂視頻訊號，新型低電容濾波器在設計時采用了經過*佳化的線電容值，以支持頻率頻率高于40MHz的芯片組。  
這種結構對數據訊號上升、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?？梢钥隙?，即使對于高分辨率LCD或相機應用，也能完全保持數據的完整性。  
 
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。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，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濾波器解決方案。 
 
高整合解決方案  
 
與分離式設計相比，使用設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布局并節省高達80%的板面積。  
結果顯示，線整合率(PCB面積/線數)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’線配置來提供設計靈活性并滿足大多數高速數據線設計要求。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接有齊納二極管的RC濾波網絡。100奧姆的串聯電阻與17pF的線電容值被用來達到在0.8MHz至2GHz范圍內*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。