2011 三月

带静电(ESD)抑制的薄膜共模滤波器

移动设备超薄保护

新型TDK TCE1210系列是世界上第一款在单个元件上提供高速共模噪声抑制和静电(ESD)保护的薄膜共模滤波器,可减少元器件数量,缩小安装面积,增强移动设备功能。

集成电路的半导体工艺尺寸越来越小时,移动设备越来越易受静电影响。同时,高速和高频操作需要对高速接口产生的共模噪声进行防护。薄膜共模滤波器TCE1210系列具有静电抑制功能,不仅能够抑制共模噪声而且防止静电放电对重要元件的影响。新型薄膜共模滤波器采用先进的薄膜工艺技术制成,体积更小更薄,仅为1.25 × 1.0 × 0.60mm3。该系列滤波器荣获日刊工业新闻社 – 一家令人尊敬的日本商务和工业日报出版社 – 颁发的电气和电子元件类的Cho Monodzukuri 2008年创新零件和元件大奖”。

许多高速数字界面,如USB或HDMI,采用差模传输。信号由具180度相位差的两条线来传输。理论上差模传输,又称为平衡传输,相对于单线传输系统,噪声辐射更小,并且几乎不受其它系统辐射噪声的干扰和影响。然而在现实中,两个信号相位只要稍微偏离,或脉冲宽度或振幅存在差异,则会出现失衡分量,即偏斜,并且产生共模噪声电流,从而导致系统故障和其它问题。

除非采取保护措施,连接数码设备的电缆就会成为噪声源。因此,需要共模滤波器作为元器件来确保电子设备和接口间的电磁兼容性(EMC)。

采用硬盘(HDD)磁头技术的微型化

超微型共模滤波器在手机和数码相机中需求相当大,微型化已达至可能的极限。因此,为了将薄膜导电层生成至铁氧体层上,工程师采用了TDK先进的原用于制作硬盘磁头的薄膜工艺技术。因此,TCM系列薄膜共模滤波器相比传统滤波器占用不到一半的空间。

尤其是移动设备,因为电缆的频繁插入和移除,有大量的触摸操作,因此,其电路也必须拥有可靠的器件来防护静电影响(ESD)。

图表一:共模滤波器TDK TCE1210系列的基本结构
TDK TCE1210 系列将微间隙静电保护元件集成至薄膜制造技术制成的共模滤波器内。

新型TCE1210系列通过具有稳定特征的微间隙电极结构,实现在单个元件上整合静电保护和共模噪声抑制功能。微间隙静电抑制器将一对电极封装在玻璃管内并制成片式元件 – 实际上就是一个微型电涌放电器。微间隙静电抑制器的最大优点就是具有极低的端子间电容,有效地抑制静电,同时在极高的数据传输速率下不会扭曲信号。

微间隙静电抑制器采用铁氧体基材制成,基材上的一个薄膜线圈、绝缘层和其它层经堆叠制成薄膜共模滤波器(图表一)。

图表二:USB3.0信号的辐射噪声

当使用TDK TCE1210系列滤波器时,噪声减少了大约15dB.

TCE1210系列完全符合USB3.0要求,且绰绰有余。图表二显示了确认共模滤波器效果的测量数据。一个2.5GHz(5Gbit/s)的USB 3.0信号用作传输信号。如未使用滤波器,噪声水平峰值在2至3GHz范围出现。采用TCE1210系列后,噪声减少了大约15dB.

图表三:带有压敏电阻和TDK TCE1210共模滤波器的特征阻抗

TDK TCE1210能够实现90 Ω (}7)的特征阻抗,达到新的USB3.0要求。

TCE1210系列的静电抑制效能清楚地展示在图表三中。使用1pF端子间电容的压敏电阻时,特征阻抗降至80Ω以下。使用USB3.0后,特征阻抗的新参数上升至90 ±7 Ω。 这样,TCE1210系列特征阻抗就达到以上要求,证明将来对信号几乎不会产生影响。

图表四:有和无TDK TCE1210系列的静电吸收对比

TDK TCE1210能有效地吸收静电至可忽略的水平。

此外,未采取防静电对策时,在波形图上能观察到陡峭的尖峰。TCE1210系列滤波器对吸收静电有明显效果。(图表四)

 

元器件数量大大减少

TCE1210系列可大量减少元器件数量和所需的安装面积。例如,差模传输的HDMI,以前一个端子用四个共模滤波器,每个滤波器有两个压敏电阻,需要用12个元件。对比一下,使用TCE1210系列滤波器和集成静电抑制后,仅需安装四个元件。

关键数据:TDK TCE 1210薄膜共模滤波器

类型

TCE1210-900-2P

共模阻抗 [Ω]

最小60 ,典型90

截止频率[GHz]

5.0

静电防护标准

IEC61000-4-2 4级兼容

钳位电压 (最大值) [V]

100

额定电压 (最大值) [V]

10

额定电流 [mA]

100

尺寸[mm³]

1.25 × 1.00 × 0.60

随着功能越来越先进和微型化进一步提升,要求移动设备如移动电话、数码相机和便携式音乐播放器的元件数量减少和安装面积缩小的要求也越来越强烈。传输信号提升到更高频率时,改进共模噪声抑制技术将十分重要。同时移动设备静电抑制会在半导体工艺尺寸逐步缩小后变得一样重要。TCE1210系列通过针对和满足以上要求以提升移动设备效能,使其性能更可靠。

信息框:共模滤波器基本噪声抑制原理

共模滤波器是两根导线同方向地卷绕在环形磁芯上的电子元件。当电流通过线圈时,所生成的磁通量流经磁芯。同时信号电流也通过线圈。然而,使用了差模,其中传出和返回信号以反方向传播。磁通量也以反方向传播,在磁芯内相互抵消。因此,共模滤波器对信号电流不产生影响。

相比之下,共模噪声电流以相同方向流动。因此,磁芯内的磁通量也以相同方向流动,并且经积累变得更加强大。于是带来阻抗增加和阻止共模噪声电流通过。

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