集成无源和有源器件提高移动电话性能

随着移动电话不断向更高集成度和更多功能发展，具有专利的IPAD技术(集成无源和有源器件)现在已经变成完全成熟的技术。
通过把各种无源和有源单元集成在单个硅片上，IPAD产品可以集成移动电话应用中所需要的各种功能，如ESD保护二极管、EMI低通滤波器、线路端子、上拉或者下拉电阻、逻辑开关和RF元件。

 

优越的电气性能
诸如蜂窝电话等移动设备都具有数据或音频接口连接外部器件，如麦克风、音乐播放器、摄像头、外部存储器或者多媒体卡。所有这些I/O接口被认为是传导和辐射EMI以及ESD等干扰的潜在来源和引入点，必须完全抑制这些干扰。

图1 IPAD电路与无源分立器件衰减性能比较

图2 抑制ESD的基本ZRZ单元结构的等效原理图

图3 SOT和倒装芯片封装滤波性能的比较

迄今为止，分立器件已经被广泛应用来实现ESD保护和EMI滤波功能。从提高性能的观点以及考虑到节省空间的发展趋势看，现在这种方案在很大程度上不宜继续采用。
通过集成EMI低通滤波器，IPAD技术可以抑制高频谱内的高频辐射，这些高频辐射不利于设备通过EMC标准。图1是EMIF系列产品获得IPAD滤波器衰减性能与33pF的分立电容的比较。EMIF器件能在更宽的频段内衰减不希望要的信号。
采用电容滤波的分立器件方案的衰减曲线表明，在非常窄的共振频率内有很大的衰减，而在较高的频率上衰减很小。分立器件方案对于蓝牙或Wi-Fi交换协议效率较低。
IPAD器件在800MHz 到3GHz范围内表现较好，其衰减低于-25dB。因此IPAD低通滤波器抑制GSM、DCS或蓝牙设备中的RF器件的不希望的信号，避免了这些信号影响基带芯片组和RF模块。
除了噪音滤除功能，IPAD技术还提供符合IEC61000-4-2的4级指标的ESD保护功能，即8kV接触放电和15kV空气放电。由于集成了双钳位结构，当施加15kV的ESD电涌时，器件的输出电压减小为10V。

说明
在EMI滤波和ESD保护方面获得了良好的性能是由于采用了为实现这两个功能而设计的双齐纳单元结构(见图2)。这种结构非常适合于设计者在对印刷电路板尺寸有限制的场合，特别是使用倒装芯片封装时。
显然IPAD技术并不局限于集成双齐纳单元，还可以集成各种其它元件。这样设计者可以通过集成上拉或下拉电阻、耦合或去耦电容、肖特基二极管、小信号晶体管、PIN或变容二极管等给系统增加更多功能。

高集成度
IPAD产品集成以前在分立器件中采用的是无源阵列和网络。与标准分立器件相比，估计节省尺寸50%~80%。因此这一技术对于同时考虑电气性能和尺寸的设计者非常有吸引力。
用IPAD技术和分立器件方案实现10级滤波器加上ESD保护所需要的尺寸比较如下，完全的分立器件方案需要印刷电路板约19mm2，而用EMIF10-1K010F1的倒装芯片封装仅需要6.8mm2。

IPAD封装的效果
由于具有每平方毫米最高的功能密度，IPAD电路非常适合于高密度电路板。为了最大限度地利用IPAD技术，应该使用倒装芯片和QFN封装。由于减小了寄生电感，这些封装减少了不希望的高频寄生元件，提高了电气性能。
对于IPAD技术，倒装芯片封装的性能最好。典型倒装芯片封装的内在寄生电感为每块0.20nH，比SOT塑料封装每个引线的0.40nH小很多。这种减小寄生电感对滤波性能的作用见图3。衰减增益与SOT-323封装比较约为15%。
图3还说明，SOT-23封装的寄生电感值为每个引线0.55nH时滤波性能在800MHz时为-20dB。而对于倒装芯片封装，同频率的滤波响应为-28dB，性能提高大约25%。

IPAD应用实例
SIM卡接口
SIM卡接口(Subscriber Identify Module --- 用户识别模块)是一个通常用于移动电话中的可移动CPU加上存储器的模块。这种存储卡由用户插入手机背面的连接座中，这使得SIM卡接口暴露在有害的ESD电涌以及天线传输的RF信号下。
为了避免由于ESD或通过SIM卡座引入的有害射频信号而引起的损坏，移动电话设计者通常在卡座和SIM卡IC之间加入ESD保护和EMI滤波电路。
除了ESD保护功能，集成低通滤波器还可以抑制每个数据线上的RF信号：RESET(复位)、 CLOCK(时钟)、 I/O(输入/输出)。这种滤波器还适合于GSM、DCS和蓝牙频段，使用低容差电阻集成技术实现连线阻抗匹配。
连线电容可以按GSM11.1x标准调节下降时间和上升时间，不超过50ns。
除了滤波作用，ESD保护功能分成互补的两级(见图2)。ESD浪涌被第一级S1钳位，然后通过电阻R将保持的电压施加到第二级S2。这种对称结构使得输出电压非常低。
输出电压钳位的方程为：
Vclamping=Vbr+Rd*Ip
这里Vbr是二极管击穿电压，Rd是二极管的动态电阻，Ip是ESD峰值电流。
假设二极管的动态电阻与滤波电阻R以及负载电阻Rload相比可以忽略，Voutput可以用下面公式计算：
Voutput=(R . Vbr + Rd . Vinput) / R,
Vinput=(Rg . Vbr + Rd . Vg) / R
考虑电路的电气性能，对于ESD电路施加8kV放电时，计算结果Voutput=8.4V。因此当过压出现时，这一电压保持在安全范围，充分说明IPAD技术的良好性能。
移动电话中的USB连接
USB正在成为一种将移动电话和诸如笔记本电脑、PDA或摄像头等消费电子设备或计算机相连接的应用办法。USB具有低速和可达12Mbps的高速总线的优点，比串口快100倍。这种数据交换协议还可以自动检测到连接的外设而不需要关机操作。
一方面，这种即插即用能力使系统和USB连接器易受人为的影响，通过简单的接触有可能产生有害的ESD放电。因此USB连接必须遵守IEC61000的4级标准。
另一方面，特别是当我们考虑无线应用时，USB连接器是RF信号回路非常危险的引入点，它有可能破坏USB集线器。这种RF影响必须通过EMI滤波器抑制，以便符合FCC的15章节或CISPR的22条的规定。
IPAD技术同时满足USB1.1指标关于USB的I/O线对EMI滤波以及连线的要求。除了集成EMI滤波、连线负载、上拉电阻以外，IPAD技术还具有ESD保护的功能，符合IEC61000-4-2的4级的要求，所有这些都集成在单一硅片上。

图4 USB滤波在移动电话实现的原理

图4是电路实现原理(EMIF02-USB01)的例子，所有提及的功能集成在倒装芯片封装2.6mm2的硅片上。
与SOT-323相比，倒装芯片封装可节省40%的电路板空间，并具有较高的滤波特性。
USB连线终端负载可以通过串联电阻到数据线来实现。这些电阻匹配USB电缆阻抗，以便保证适当的负载，维持信号的完整性。
D+和D-线需要上拉电阻来识别设备是全速还是低速设备。使用IPAD技术，这些电阻集成在硅片上，满足USB1.1指标中5%精度的要求。
在这个例子中，低通滤波器由串联电阻和与I/O线并联的双钳位二极管组成。这一结构中，RC滤波网络在1GHz时的频率衰减为-25dB。
除了辐射EMI功能，上面例子中的电路通过了在每个I/O数据线上放置ESD双向二极管而进行的IEC61000-4-5的4级测试。
USB应用的设计对满足ESD和EMI滤波标准的要求非常关键。采用倒装芯片封装的IPAD可以使手机具有USB连接，并且满足相应的标准，提供全集成方案，同时包括阻抗匹配、上拉电阻。而且，优化硅片结构设计可以达到USB1.1指标所需的50pF电容的要求。
IPAD技术对于寻求良好的电气性能和节约电路板尺寸的设计者来说，有非常大的吸引力。