新一代手机中的EMC和ESD保护问题

因为手机还有空间的限制因素，所以USB2.0的三条线路ESD防护不得超过SOT666封装尺寸。USB2.0专用ESD防护电路见图3。

图3：USB2.0保护拓扑

图3所示的轨对轨保护概念是效率最高的高速数据线路ESD防护概念，是速率每秒480Mbits高速串行线路的最佳折衷方案，它兼顾了数据完整性、信号均衡性、低功耗和最严格的ESD标准。

手机EMI抗干扰功能

在某情况下，ESD问题并不是工程师要解决的唯一问题。因为手机发射和传送RF信号时，很多电子组件受到RF辐射，因此，必须抑制RF辐射以保护正常的工作。甚至在某些情况下，某些IC自己也会产生RF辐射以及射频干扰。

基本上，很多接口都会容易受到GSM脉冲的攻击，如音频线路或LCD或相机模块，产生能够听见的噪声或可以看见的屏幕抖动。这就是在设计手机时强烈推荐EMI滤波器的原因。

在某种意义上，EMI辐射抑制已成为下一代手机如多频手机或3G手机的关键问题，因为现有解决方案即将达到技术极限。

采用分立的电阻和电容的单一阻容PI型滤波器设计不再是节省空间的解决方案。此外，因为衰减带宽很窄，阻容滤波器的滤波性能极差。对于空间限制极严，工作频率扩大几个频段的多频手机和3G手机，这类滤波器的缺陷明显。

设计师开始关注衰减大和衰减频带宽的低通滤波器，以硅为材料的集成EMI滤波器是适合所有这些需求的滤波器，它表现出极宽的衰减范围，从800MHz到 2GHz或3GHz，S21参数超过30db等。同时，这些滤波器可针对高速数据应用实现低寄生电容结构和超小的PCB空间。

硅EMI滤波器：LC型还是RC型?

对上文提及的两种技术的纯滤波性能进行对比，在某种意义上我们看见相似的滤波特性，两种结构都表现出极宽的抑制频带。这些主要特性的取得归功于能够最大限度降低滤波器(无论是RC还是LC型)的寄生电感的集成概念。

然后，LC滤波器能够优化低频的插入损耗。与RC滤波器相比，滤波特性在技术规格中确实存在明显的差别。但是考虑到特性曲线是在50Ω环境中测量到的，设计师可能注意到，在应用条件下，因为多数IC是高阻抗元器件，RC滤波器的串联电阻或LC滤波器的串联电感对插入损耗的影响可忽略不计。因此，即使在滤波器技术规格中看到插入损耗的差异，这个差异也不真地适合应用条件。

尽管如此，我们可以使RC或LC滤波器信号传输能力实现差异化。特别是在高频下，LC滤波器可能具有RC滤波器绝对没有的某些振荡效应。这些寄生振荡可能会干扰信号甚至会产生比RC滤波器更长的延迟时间。图4所示是通过硅LC滤波器进行的信号传输测试，从图中可以看到振荡效果。

最后，EMI滤波器是使用硅RC还是LC，两者之间没有明显的性能差异，因为它们的特性在实际应用中基本相同，低阻抗环境除外。顺便提及一下，考虑到现有的硅技术，电阻的集成密度比电感器高出很多。因此，LC滤波器的制造成本高于RC滤波器。

现在让我们对比无源LC滤波器和硅RC滤波器，大家熟知的两者之间的差异是，无源技术基于集成变阻器(而硅滤波器集成的是二极管)。因此，这种滤波器不如硅RC滤波器耐用，同时过滤特性类似于分立电容器，这意味着抑制频带尖而窄，不能为新一代多频手机100%优化。

滤波器的RC耦合是设计人员必须精心选择的首要特性，本质上说，应用的信号传输速度越快，滤波器线路的总电容就应该越小。

因此，对于UART、RS232或音频线路，标准电容在几百个pF范围内的EMI滤波器足以确保优秀的滤波性能和最小的信号干扰。

对于高速接口像LCD或CMOS传感器，滤波器的寄生电容对视频信号完整性的影响很大，所以电容值必须降到最低限度，几十个兆赫兹的频率，电容必须小于20pF。

这又带来了新的问题，因为滤波器的滤波性能会因为本身电容变小而降低。

因为最近的半导体设计，现在市场上出现了超低电容EMI滤波器结构，以及超高衰减量、宽带抑制和符合IEC61000-4-2第4级的ESD保护功能。意法半导体是市场上率先推出电容超低、抑制带宽极大并符合IEC61000-4-2第4级安全标准的滤波器结构，EMIF08-VID01F2在 800MHz到3GHz频带内可以实现30dB以上的衰减抑制，同时在3V工作电压时其线电容只有17pF。

要想取得最佳的滤波性能，除考虑硅产品本身的特性外，还要考虑组件的封装和布局，这就是大多数基于硅的EMI滤波器采用400um管脚间距的倒装片封装或microQFN封装的原因。微型封装的主要优势之处是寄生电感影响小，从而最大限度地提高了高频下的衰减特性;其次微型封装尺寸小，有助产品的微型化趋势。

400um管脚间距还可简化和最小化滤波器与I/O连接端子之间的布局连接，因此，使用管脚间距较小的新封装有助于提高PCB+布局+滤波器的系统整体性能。图5所示是ST的一个超小滤波器的简图。

与分立的电容和电阻占用的PCB电路板空间相比，像EMIF08这样的倒装片和mQFN封装的硅滤波器可节省PCB空间近70%，将组件数量从18个减少到1个，同时还能维持或降低应用的整体成本。

最后，RC硅滤波器是一个具有竞争力的解决方案，其过滤性能、ESD保护和PCB空间占用超过了分立解决方案。除单纯的性能对比外，集成解决方案更适合新一代手机对宽衰减带宽和高密度集成电路板的需求。

本文小结

在手机设计的初始阶段，ESD和EMI问题变得越来越突出，必须根据实际应用选择专门的方法来解决ESD和EMI问题。虽然保护组件本身的性能十分关键，但是布局考虑也有助于提高系统的整体防护性能。