保护和过滤无线频率下的数据线

USB Type-C带来了许多机遇，但也不乏挑战。其中一个挑战就是如何避免在千兆赫范围内发生数据线EMI问题。

这款全新USB Type-C连接器带来了许多新机遇，但也不乏新的挑战。

我们来详细了解共模滤波器(CMF)如何避免在千兆赫范围内发生数据线EMI问题，包括：

在需要更换保护和滤波或者只需要更换保护时，如何为USB3.1和HDMI2.0提供CMF，且无需耗时的重新设计。

如何选择CMF，同时仍然确保传输极快的信号，如USB3.1和HDMI2.0。

其他ESD保护如何降低独立CMF的信号完整性。

如何选择CMF用于抑制大多数关键频率的共模噪声。

如何有效保护超快数据线的极敏感收发器免受ESD影响。

若要复制移动应用上的内容，如较大视频，消费者期望USB连接器能够提供更高的数据速率。因此，行业开始采用全新USB Type-C连接器也支持的USB3.1。

但是，在WiFi、蓝牙和LTE等相同频率范围内使用无线传输的环境中移动2.5或5 GHz基频数据线，这些频段之间会发生干扰，如英特尔白皮书中的报告所述。

而USB Type-C连接器为便携式设备连接开创了新的机遇。与此同时，选项的数量也会增加此接口应用的复杂性。需要使用新的解决方案来降低复杂性，以便加快上市时间。

进一步了解USB3.1，USB Type-C连接器还可以将超高速USB集成到智能手机或平板电脑等便携式应用中，这一点极具吸引力。它还能够在相同接口上传输高速视频/音频数据。

这时，超高速USB在2.5和5 GHz频率存在较强的基波信号，就会将其他噪声源集成到紧凑的应用中。CMF是消除不需要的共模噪声，避免在WiFi、LTE和蓝牙等相同频率的基本和无线数据频段之间造成干扰，且不传输差分信号的标准方法。

如今，所有设计师都喜欢尽量减少材料元件。那么显然就出现了一个问题，具体设计中是否需要CMF。理想情况下，带CMF的组合与不带CMF的组合没什么不同，因为设计阶段很难预测EMI问题。除非采用不会干扰信号路径的标准ESD保护，未组装时，CMF的引脚会干扰信号线。如果不需要滤波器，则需要使用具有一流RF数据功能的“插件”来弥补这个差距。或者，电路板需要一个新的设计周期来弥补差距。

自2009年以来，Nexperia一直是USB3.x的ESD保护产品的主要供应商之一。根据我们的经验，USB3的收发器对ESD脉冲非常敏感，需要极低的钳位ESD保护。因此，几乎很自然地要将最新一代极低钳位ESD保护，即TrEOS保护集成到这个“插件”中，从而取代CMF。TrEOS保护通常也用于集成CMF。通过选择带ESD保护的CMF和在相同引脚尺寸仅使用ESD保护，可以让第一个电路板设计就成为最终的设计——至少保护和滤波器件就是如此。我们甚至还能在相同平台上为一些市场提供CMF，而另一些市场则不提供CMF，并且无需耗时的重新设计。甚至还能在上市之后添加CMF选项。

选择针对USB3.1的CMF时，我们选择PCMFxUSB3S（保护和共模滤波，“x”代表差分线对的数量），而相同引脚尺寸的ESD保护则命名为PESDxUSB3S。

图1.Nexperia提供带ESD保护的CMF（左侧，PCMF系列）和相同引脚尺寸的ESD保护（右侧，PESD系列），允许在不用重新设计电路板的情况下迅速变更PCMF和PESD。

但是，将CMF与ESD保护组合到单个设备中并没有明显的原因。看看单独的ESD保护设备和单独的CMG（没有充分的低钳位ESD保护），二者独自都能够为差分信号提供充分的完整性，将单独的CMF和ESD保护组合则不再能提供信号完整性。

测量带宽限制的一种方法就是频率，与低频信号相比，差分信号会衰减3 dB。log10范围的-10 dB衰减表示信号功率强度低一个数量级（或1/10），衰减为-20 dB 1/100，以此类推。

输入和输出信号的比率显示为分散或短散射参数，其中S21显示端口2和端口1之间的信号传输，S21dd表示差分输入、差分输出。

图2.S21dd是输入与输出差分信号的比率，与频率有关。此频率的信号按3 dB衰减，这是差分通带的频率限值。曲线图显示，当添加ESD保护拥有14 GHz或7 GHz的通带时，不含ESD保护且基于铁氧体的CMF衰减，以及相同的滤波器。3dB频率从6.3 GHz递减至4.9 GHz或4 GHz。比较CMF的RF特性时，必需比较完整性能。

看个示例，ESD保护拥有14 GHz差分通带，CMF拥有6.3 GHz的差分通带，我们发现，将这两者组合只能得到4.9 GHz的通带。所以，比较完整解决方案（包括ESD保护）的性能至关重要。相比这下，对于带ESD保护的集成CMF，即PCMFxUSB3S时，若将CMF和ESD保护两种功能组合，仍然可以提供6.5 GHz的典型通带。

图3.带ESD保护的集成CMF(PCMF3USB3S)的差分通带，对于引脚1-2和引脚5-6处的线对情况比较。这些线对高度对称，有助于避免数据扭曲。

考虑到所需的ESD保护时会发现PCMFxUSB3S能够提供无与伦比的差分通带。此外，高度对称还可避免单线路和线对之间的运行时间差异，从而避免造成数据扭曲。数据扭曲会关闭时间轴上的眼图。

图4.眼图会覆盖所有潜在的1-0和0-1信号转换（左侧）。任何转换都不得违反掩码（右侧），以便为接收器提供可接受的最低信号完整性。

图4中显示了一个实际事例，其中对比了10 Gbps时的PCMF2USB3S眼图（USB3.1最高速度水平）与不含测试设备的参考电路板(DUT)

图5.在测试电路板上比较PCMF2USB3S在10 Gbit/s时的USB3.1眼图。

在外部实验室使用我们的测试板，PCMF2USB3S在10 Gbit/s条件下通过了USB3.1标准测试。由于这些速度水平的数据速率明显需要精心设计RF，Nexperia能够和您分享全新USB Type-C连接器的布局示例。

HDMI标准针对音频/视频数据采用8个高速差分TMDS线。转换到HDMI2.0时，许多设计工程师将会面临一些挑战：消费者仍会保留购买的HDMI1.4数据速率电缆。因此，HDMI接收器不需要拥有更高品质的电缆，而是要能在测试点2 (TP2)处理由于糟糕的电缆型号和其他数据扭曲变形的信号。

图6.传统HDMI眼图是在测试点1 (Tp1)测得，另一个“最差电缆仿真器”和其他偏斜则添加到测试点2 (TP2)，以反映HDMI2.0数据速率对HDMI1.4电缆的使用情况。

TP2上的其他眼仍然不得违反掩码：

图7.测试电路板上PCMF2HDMI2S带“最差电缆仿真器”（上图）和其他偏斜在测试点2 (TP2)测得的眼图，以及测试电路板上不含测试设备(DUT)的参考眼图（下图）。尽管眼图看起来似乎有点陌生，但这却是很好的“通带”结果。TP1熟悉的眼图看起来明显更加美观，并且可以在PCMFxHDMI2S的数据手册中找到。

将CMF和ESD保护集成到一个设备的另一个原因，就是信号线对上的任何阻抗干扰都将影响一部分信号。如果信号路径中发生严重干扰，那么就会造成多重相互干扰的反射、严重损害信号完整性，会关闭眼图。一些数据标准，如HDMI标准的TMDS线，会限制数据线阻抗中发生此类阻抗偏差的次数和数量。

信号路径上的阻抗变化会通过时域反射(TDR)测量显示，其中信号的运行时间与信号路径的距离成一定比例。对于USB3.1，差分阻抗应该为90 欧姆，HDMI TMDS的差分阻抗为100 欧姆。如果信号路径的其他部分增加更多电容性负载，则信号会将本地阻抗降到目标值以下；如果其他部分增加更多电感性负载，那么本地阻抗将在目标值以上。任何阻抗偏差，无论是电容性阻抗还是电感性阻抗，都将引发这些信号反射。

图8中包含一个示例，其中显示了两个带ESD保护的不同集成式CMF在一段运行时间（距离）的阻抗差异。例如，图中显示了不带测试设备(DUT)的测试电路板的阻抗。一个设备PCMFxHDMI2S显示对应带极低电容的单独ESD保护设备存在阻抗下降，另一个集成式CMF则显示存在违背HDMI标准规定限值的电感行为。

图8.两个使用200 ps滤波器（符合HDMI标准）进行ESD保护的集成式共模滤波器的TDR（时域反射）测量。阻抗Z可随运行时间（距离）进行测量。PCMF滤波器明显位于HDMI标准设置的限值以内，而比较滤波器则太过电感性而无法通过此测试。这两款滤波器与不带滤波器的参考电路板（无干扰传输线路）进行比较。由于电路板位置和设备大小不同，所以时间范围也不尽相同。

由于全新Type-C连接器支持发送功能，例如通过USB3.1接口发送HDMI数据，所以用于此接口的设备能够符合几个标准的要求就显得尤为重要了。但即便是不需要遵守HDMI标准，最大程度降低设备阻抗的影响也会最大程度减少反射，并针对所有数据标准提供良好的信号完整性。

第一部分总结：在信号完整性方面，必须选择广泛差分通带解决方案确保信号传输，并比较组合CMF和ESD保护的完整解决方案。

由于选择CMF用于抑制不需要的噪声，所以共模抑制显然也是一个重要参数。在S21cc中，共模抑制也归为一种频率散射参数。同样，-10 dB的衰减将意味着共模噪声频率低一个数量级(1/10)。

图9.比较PCMFxUSB3S与图1中所示USB3.1铁氧体滤波器的共模抑制。由于需要避免2.5 GHz时USB3.1 5 Gbps基波与WiFi、蓝牙和LTE-频段之间的干扰，所以此频率范围内的强大抑制功能显得尤其重要。2.5 GHz左右的PCMFxUSB3S抑制明显超过-30 dB（不到共模功率的1/1000），并能在700 MHz和10 GHz之间提供高一个数量级的功率抑制，覆盖所有带宽带共模抑制的GSM/3G/LTE/WiFi/GPS/蓝牙频率。

选择共模滤波器时，应该关注针对基波以及需要相互隔离的无线和有线数据标准的更高谐波的强大共模抑制功能。对于5 Gbps时的USB3.1，2.5 GHz时的基波处于拥挤的无线频段（LTE、WiFi、蓝牙）的中间，在此区域需要超强抑制功能。对于HDMI2.0，1.7至3 GHz的频率最为关键。与此同时，共模抑制还应该拥有足够宽的带宽，从而抑制不显眼的频率范围内的潜在噪声问题。

迄今为止，我们已经解决了如何确定信号完整性和共模噪声抑制的问题。但是，ESD脉冲钳位在保护敏感收发器时的效果如何？

看看极快信号的收发器，如USB3.1，我们会发现整个系统的ESD生存水平不是由ESD保护设备的耐受性定义的，而是由钳位行为定义的。就是说，ESD保护设备传输多少剩余ESD呢？这是我们目前得到的所有收发器的情况。尽管如此，我们的PCMF/PESD系列可耐受15 kV触点的IEC 61000-4-2 ESD脉冲，后者超过了此IEC标准的最高水平4。PCMFxUSB3S和PCMFxHDMI2S以及PESDxUSB3S全都建立在Nexperia的TrEOS保护威廉希尔官方网站 的基础之上，其中结合了行业领先的开关速度(0.5 ns)、最低动态阻抗以及针对8/20浪涌及ESD脉冲的高耐受性。

这些全新CMF在保护极敏感收发器方面的效果如何？我们尝试将PCMFxUSB3S结合目前最敏感的USB3.1收发器使用，确认此组合在几个通道中的耐用水平已经超过了15 kV IEC 61000-4-2。除了高效处理共模问题，在处理USB3.1频率同时还保护极敏感的收发器免遭ESD影响方面，PCMF是迄今为止（2016年4月）最有效的解决方案。

一些基于铁氧体/陶瓷的CMF可提供集成ESD保护功能；由于他们具备几百伏的钳位电压，所以不会为敏感的收发器芯片提供额外保护。图9显示了集成ESD保护的陶瓷/铁氧体滤波器与更早的PCMF流程生成的对比情况。

图10比较了带硅基ESD保护的集成CMF与带集成ESD保护的铁氧体CMF的TLP钳位。PCMFxUSB3S、PCMFxHDMI2S和PESDxUSB3S提供更低的钳位电压，但是，在需要显示铁氧体基ESD保护的TLP行为的范围内，这可能会丢失。

既然铁氧体在ESD钳位方面明显不具备竞争力，那么PCMFxUSB3S系列与带硅基ESD保护的其他CMF比较如何呢？简单地说，相比所有其他共模滤波器，PCMFxUSB3S能够提供最低的钳位电压。

图11.比较PCMF系列与集成ESD保护的其他CMF的TLP钳位。

总之，查看极快数据线的保护和滤波时，我们可以明确这些要点：

差分信号必须要能传达保护和滤波解决方案，如差分通带和眼图所示，这还需要通过合规标准。

在单独CMF中增加其他ESD保护功能会明显弱化系统性能，即便两个设备各自都展现出一流的RF性能时也是如此。

USB3.1在2.5和5 GHz等关键频率下的共模抑制必须非常高。

ESD钳位必须非常低。

最终，系统必须要能交换使用带ESD保护的CMF与仅含ESD保护的CMF，避免重新设计并支持更短上市时间。

审核编辑：郭婷