常见的便携设备EMI/RFI滤波器类型与设计方案

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如今的手机等便携设备的尺寸日趋小巧纤薄，同时又在集成越来越多的新功能或新特性，如大尺寸显示屏、高分辨率相机模块、高速数据接口、互联网接入、电视接收等，让便携设备的数据率及时钟频率越来越高。这样，便携设备面临着诸多潜在的电磁干扰（EMI）/射频干扰（RFI）源的风险，如开关负载、电源电压波动、短路、电感开关、雷电、开关电源、RF放大器和功率放大器、带状线缆与视频显示屏的互连及时钟信号的高频噪声等。因此，设计人员需要针对音频插孔/耳机、USB端口、扬声器、键盘、麦克风、相机、显示屏互连等多个位置，为便携设备选择适合的EMI/RFI滤波方案。 常见EMI/RFI滤波器类型及滤波要求 对于EMI/RFI滤波器而言，从架构上看，最常见的架构是“Pi”滤波器，顾名思义，这种架构类似于希腊字母“π”。常见的π型滤波器有两种，分别是C-R-C（电容-电阻-电容）滤波器和C-L-C（电容-电感-电容）滤波器。其中，C-R-C滤波器（见图1a）也称RC-π型滤波器或π型RC滤波器，用于音频及低速数据滤波应用；C-L-C滤波器（见图1b）也称作LC-π型滤波器或π型LC滤波器，用于音频、低速及高速数据滤波应用。 π型滤波器还有一种扩展类型，即形状象梯子的梯形滤波器，其中最常见的是LC（电感电容）梯形滤波器（见图1c），这种滤波器承受更高的数据率，但在滤波元件（电感或电容）增多时，尺寸和成本会成为问题，导致物料成本更高、封装更大。 图1：常见EMI/RFI滤波器类型的结构示意图：a） π型RC；b） π型LC；c） LC梯形。 这几种类型的EMI/RFI滤波器中，从频幅响应比较来看，π型RC滤波器的跃迁带（transition band）最宽，转折率（rolloff）最低；π型LC滤波器的转折率较低，但跃迁带适中；梯形滤波器则能实现极高的转折率及较窄的跃迁带宽。 就EMI/RFI滤波而言，以手机应用为例，传统上的一个基准频率是800 MHz，因为800 MHz接近手机所用频段的起始频率。大多数情况下，手机设计工程师要求在800 MHz以上频率进行滤波，这一般意味着最低30 dB的信号衰减。随着手机中功能的增多以及时钟与数据信号的分类，基准频率正在降低。许多便携电子产品制造商要求在400 MHz频率进行EMI/RFI滤波，未来可能还会要求在更低频率下进行EMI/RFI滤波。 集成EMI滤波与ESD保护 在便携产品中，滤波器一般位于邻近连接端口、麦克风和扬声器的位置。而恰好这些位置也可能面临静电放电（ESD）事件。以音频线路为例，如果采用分立元件方案来分别进行EMI滤波和ESD保护，就面临着执行这两项功能所需要的元器件数量问题。其中，就EMI滤波器而言，如果使用1个分立的π型LC滤波器，就需要2个表面贴装电容和1个表面贴装电感。为了提供ESD保护，还需要额外增加某种类型的表面贴装瞬态电压抑制器（TVS）二极管。这样，1条音频线路的EMI滤波和ESD保护就需要4个独立元件，这里还未提及这些元件所需占用的便携设弥足珍贵的空间问题。如果不止1条音频线路，那采用分立元件方案就更不切实际了。 因此，最简单的方案就是在同一个元件中集成EMI滤波与ESD保护功能。首先，集成方案中的集成型TVS二极管也提供EMI滤波所需的电容；其次，改进工艺技术也可大幅提升集成型电感的质量。通过将这些集成型元器件集成到硅片上，原来需要多个独立元件的方案，就可以采用集成型EMI滤波+ESD保护方案（参见图2）。 图2：集成型EMI滤波+ESD保护方案：a） π型RC；b） π型LC；c） LC梯形。 其中，在ESD保护等级方面，IEC61000-4-2标准详细规定了系统级测试条件及保护等级，这等级分为4种，便携应用通常需要的是第4级保护，即在8 kV接触放电或15 kV空气放电IEC61000-4-2测试条件下，便携设备需要能够承受住ESD事件冲击。 总的来说，通过高性价比地集成EMI滤波与ESD保护，便携应用设计人员可以降低成本，减少物料单（BOM）元件数量，并减小电路板占用空间。