手持式產品靜電保護(ESD)與電磁濾波(EMI FILTER)防護設計的結合

圖1，電磁(EMI)濾波器產品基本架構圖。

隨著終端產品朝向輕薄短小的方向發展，並持續拓展附加功能，如高速數據傳輸介面、高解析度LCD螢幕、相機模組、無線影音內容接收等。眾多的功能匯聚在一個有限空間裡，勢必犧牲掉一些原本作為電磁干擾防護的金屬屏蔽(Shielding)，或是改用較小的地(GND)。 雖然可以達到成本與尺寸的考量，卻導致設計上的靜電(ESD)與電磁波(EMI)問題變得更加複雜與嚴重。這些問題必須在設計最初階段選擇有效的解決方案。

傳統的靜電(ESD)保護或電磁濾波(EMI Filter)功能主要是由被動元件來組成，例如靜電(ESD)保護的壓敏電阻和基於串聯電阻與並聯電容的π型低通濾波結構。隨著新型IC的高EMI敏感度促使設計者必須提高抗干擾能力，因此某些方案的技術侷限性已顯露出來。

針對靜電(ESD)保護，靜電保護二極體與保護陣列比較於傳統方案的壓敏電阻，在IEC 61000-4-2嚴苛的標準下，整體系統的穩定性就會有很大的差別。除了壓敏電阻箝制電壓高之外，並存在著老化現象，還是暴露出電氣特性變化的隱憂。靜電保護二極體與保護陣列相對為穩定且有效的保護方案。

另外為了有效解決電子產品電磁干擾的問題，並能兼顧靜電(ESD)保護的功能，具備靜電保護功能的電磁濾波器(EMI+ESD filter)就為一建議的方案。前述因成本與尺寸的考量，可能導致更加複雜與嚴重靜電(ESD)與電磁波(EMI)問題。以手機為例，很多介面接口都容易受到GSM/CDMA脈衝的影響，如音頻線或是LCD螢幕，產生能夠聽見的噪聲或可以看見的螢幕抖動。這就是在設計手機時強烈推薦使用電磁(EMI)濾波器的原因。

過去一般採用電阻和電容的π型低通濾波器(Low pass filter)設計，因為衰減帶寬很窄，濾波性能極差。星曜半導體推出電磁(EMI)濾波器是適合這些需求的集成方案，極寬的衰減範圍，並可針對高速數據傳輸的應用實現低電容結構和PCB布局的簡化。產品基本架構如圖1藍框所示。

輸入與輸出端點間是採用電阻(RLINE)橋接，端點對地(GND)的電容則是採用靜電保護二極體。利用π型低通濾波器(Low pass filter)設計架構，該系列產品除了可以提供良好的電磁(EMI)濾波效果之外，還擁有強壯的靜電(ESD)保護能力，可符合IEC61000-4-2 LV4。星曜半導體公司的新型低電容EMI濾波器支援4、6及8通道的產品，每一種均包含側接有靜電保護二極體的RC濾波網絡。100Ω的串聯電阻與20pF的電容值被用來達到在800MHz至2.5GHz範圍內最小30dB的衰減。對於高速數據傳輸接口，電磁濾波器的寄生電容對信號完整度的影響很大。

此外，想要取得最佳的濾波性能，雖然電磁(EMI)濾波器本身性能十分重要，但是封裝大小與布局考慮也有助於提高系統的整體保護性能。星曜半導體採用微型DFN封裝，微型DFN封裝的主要優點是寄生效應影響小，從而最大限度地提高了高頻下的衰減特性，也可以有效減少所需佔用的電路板面積。

業界半導體供應商有提供RC π型或LC π型濾波器兩類的方案，如何選用？根本在於應用。兩種技術具有相似濾波特性。LC π型濾波器相較RC π型濾波器更能優化低頻的插入損耗(Insertion Loss)。但在現實應用中，多數IC屬於高阻抗元件，對插入損耗的影響幾乎可忽略不計。但在高頻，LC π型濾波器可能有RC π型濾波器沒有的寄生振蕩。這些寄生振蕩會干擾信號。加上電阻集成密度比電感高出很多，LC π型濾波器製造成本絕對高於RC π型濾波器。這也是為什麼星曜半導體著重開發RC π型濾波器。

星曜半導體在2011年全面增強了產品組合，推出一系列電磁(EMI)濾波器。主要適用於5V額定電壓系統，支持4、6及8通道。串聯電阻100Ω±20%，電容值約為20pF。操作頻率在800MHz功率損耗可達-25B。靜電保護功能均可達到IEC61000-4-2 Level4 Contact±8KV，Air±15KV。

(本文作者為星曜半導體行銷副總)