超高速差分数据传输中的EMI低通滤波器设计

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最新的消费电子产品，如电视机、机顶盒或手机，都能相互连接在一起，或者至少都配备高速度数据接口。最终消费者最常用的接口是USB或 HDMI/MHL高清多媒体接口，但是还有最终消费者看不到的然而对于设计人员却同等重要的内部接口，例如，新出现的MDDI或MIPI接口，这些内部接口用于连接电路板上不同的模块或功能。例如，我们不能忽视手机相机传感器或AMOLED显示平板与手机主板的连接改用差分数据线而弃用并行数据线的发展趋势，因为差分数据传输的优点是可以提高数据速率和显示器分辨率。

显然，这些新接口正在形成一个新的富有挑战性的环境，同时加大了ESD和EMI现象对电子产品设计的威胁。

当然，传统的EMI低通滤波器，如RC滤波器或LC滤波器，将很快达到滤波器的极限值，因此为适应这些新的应用发展趋势，我们必须开发新一代保护芯片。ECMF新系列保护芯片是以高性能滤波器享誉业界的意法半导体为满足最新的超高速差分信号滤波和ESD保护要求而专门设计的新一代保护产品。

全新的共模滤波器

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。

保护USB2.0接口的共模滤波器

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，每条线上的信号相位差180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CMF滤波器的信号没有遇到任何阻抗，更谈不上信号衰减问题。



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。

SCC21标准描述了共模衰减的基本特性，如下图所示:

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。

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MIPI和HDMI接口EMI滤波器

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。

                               
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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。

                               
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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)。

                               
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内置ESD保护功能的滤波器

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：

                               
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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。

                               
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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。

                               
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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。

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滤除和保护功能比较

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。

                               
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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。

                               
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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。

系统级优化

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。

                               
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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%。

结论

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 ECMF02-2AMX6 和四线ECMF04-4AMX12，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。




作者： Sylvain Mosquera-Duran
意法半导体（韩国）有限公司功率和模拟产品市场部经理

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