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高分辨率LCD及相機面臨的EMI敏感性

發(fā)布時間:2019-06-03 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著手機中LCD及相機的視頻分辨率越高,數(shù)據工作的頻率將超過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極限。為適應數(shù)據速率的增加且不中斷視頻信號,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。
 
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,例如帶多個彩屏(每部手機至少有兩個彩屏)以及百萬像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(xiàn)高分辨率LCD及相機將使設計者面臨多種挑戰(zhàn),其中一個主要設計考慮便是這些新模塊對電磁干擾(EMI)的敏感性。
 
對于目前流行的許多手機(尤其是翻蓋型手機)來說,彩色LCD或相機CMOS傳感器通過連接在手機(上下)兩個主要部分之間的柔性或長走線PCB與基帶控制器相連。
 
一方面,該連接線會受到由天線輻射出的寄生GSM/CDMA頻率的干擾。另一方面,由于高分辨率CMOS傳感器及TFT模塊的引入,數(shù)字信號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或可能造成ESD危險事件。
 
總之,在上述兩種情況下,所有這些EMI及ESD干擾均會破壞視頻信號的完整性,甚至損壞基帶控制器電路。
 
為抑制這些EMI輻射并保證正常的數(shù)據傳輸,可考慮實現(xiàn)幾種濾波器解決方案,這可通過使用分立阻容濾波器或集成的EMI濾波器來實現(xiàn)。
 
EMI及ESD噪聲抑制方法
 
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信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。
 
分立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帶衰減的有限濾波性能,故大多數(shù)設計者目前都在考慮集成的EMI濾波器。
 
在配有高分辨率LCD及嵌入式相機的手機中,信號是通過特定頻率(取決于分辨率)從基帶ASIC被傳送至LCD及內嵌的相機上。
 
視頻分辨率越高,數(shù)據工作的頻率亦越高。迄今為止,一般數(shù)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(xù)將此頻率提高至40-60MHz。
 
為適應數(shù)據速率的增加且不中斷視頻信號,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)必須大約為時鐘頻率的5倍。
 
在目前的無線終端中,對于30至60萬像素的相機模塊來說,時鐘頻率大約介于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時鐘頻率超過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。
 
試驗給出了幾種濾波器電容值與截止頻率的對照,以及時鐘兼容性。這表明低電容濾波器是最適合高頻率、高速數(shù)據信號傳輸?shù)慕鉀Q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(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。顯示了EMI濾波電容對GSM頻率衰減的影響。
 
除對濾波性能有影響外,低電容濾波器還會影響ESD性能。考慮到較低的二極管電容可顯著減少ESD浪涌能力,故在良好衰減、ESD性能及低電容濾波器結構之間找到最佳折衷極具挑戰(zhàn)性。
 
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,某半導體公司開發(fā)出在900MHz頻率上具有高頻衰減特性并采用超低電容結構的新一代EMI濾波器。
 
這些基于IPAD技術(集成有源、無源器件)的新型EMI濾波器,采用了帶集成ESD保護的標準PI濾波器結構。圖表示一種帶串聯(lián)電阻及電容的基本濾波器單元配置。
 
這種新型低電容結構用來提供200MHz范圍內的截止頻率,可支持時鐘頻率超過40MHz的數(shù)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(yōu)于-35dB。
 
圖顯示采用此濾波器基本單元架構的S21參數(shù)指標。圖中顯示在900MHz頻率上具有35dB的衰減特性,這是一種通過17pF線電容集成EMI濾波器來達到的空前性能。
 
除濾波功能外,集成輸入齊納二極管還能抑制高達15kV的空中放電ESD沖擊,達到了IEC61000-4-2第4級工業(yè)標準所要求的性能水平。
 
高速數(shù)據兼容性
 
為了不擾亂視頻信號,新型低電容濾波器在設計時采用了經過優(yōu)化的線電容值,以支持時鐘頻率高于40MHz的芯片組。
 
這種結構對數(shù)據信號上升、下降沿只有很小的影響,且器件輸入、輸出間幾乎沒有什么延時。
 
用最大2.8V、1ns的信號對輸入Rt(10-90%上升沿)及 Ft(10-90%下降沿)進行仿真,結果表明,由濾波器引起的延時(輸出與輸入信號之差)不超過1ns??梢钥隙ǎ词箤τ诟叻直媛蔐CD或相機應用,也能完全保持數(shù)據的完整性。
 
圖顯示了工作于40MHz頻率上的3V視頻信號分別通過高、低電容濾波器的傳輸情況比較??梢园l(fā)現(xiàn),高電容結構所引起的延時是低電容結構的5至6倍。在這種情況下,信號輸出電壓不能被正確地接收。
 
高集成解決方案
 
與分立設計相比,使用設計成帶層疊凸點的倒裝芯片封裝型集成EMI濾波器,可簡化PCB布局并節(jié)省高達80%的板面積。
結果表明,線集成率(PCB面積/線數(shù))大約為0.6。這意味著這些新型濾波器可以每線占去0.6mm2的PCB面積來提供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(shù)高速數(shù)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(tǒng)的SOT323塑料封裝。
 
半導體公司的新型低電容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歐姆的串聯(lián)電阻與17pF的線電容值被用來達到在0.8MHz至2GHz范圍內最小30dB的衰減。器件的低電容意味著它們能被用于下一代時鐘頻率超過40MHz的LCD顯示器及相機傳感器。
 
本文轉載自電磁兼容之家。
 
 
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