USB Type-C帶來了許多機遇，但也不乏挑戰。其中一個挑戰就是如何避免在千兆赫范圍內發生數據線EMI問題。

這款全新USB Type-C連接器帶來了許多新機遇，但也不乏新的挑戰。

我們來詳細了解共模濾波器(CMF)如何避免在千兆赫范圍內發生數據線EMI問題，包括：

在需要更換保護和濾波或者只需要更換保護時，如何為USB3.1和HDMI2.0提供CMF，且無需耗時的重新設計。

如何選擇CMF，同時仍然確保傳輸極快的信號，如USB3.1和HDMI2.0。

其他ESD保護如何降低獨立CMF的信號完整性。

如何選擇CMF用于抑制大多數關鍵頻率的共模噪聲。

如何有效保護超快數據線的極敏感收發器免受ESD影響。

若要復制移動應用上的內容，如較大視頻，消費者期望USB連接器能夠提供更高的數據速率。因此，行業開始采用全新USB Type-C連接器也支持的USB3.1。

但是，在WiFi、藍牙和LTE等相同頻率范圍內使用無線傳輸的環境中移動2.5或5 GHz基頻數據線，這些頻段之間會發生干擾，如英特爾白皮書中的報告所述。

而USB Type-C連接器為便攜式設備連接開創了新的機遇。與此同時，選項的數量也會增加此接口應用的復雜性。需要使用新的解決方案來降低復雜性，以便加快上市時間。

進一步了解USB3.1，USB Type-C連接器還可以將超高速USB集成到智能手機或平板電腦等便攜式應用中，這一點極具吸引力。它還能夠在相同接口上傳輸高速視頻/音頻數據。

這時，超高速USB在2.5和5 GHz頻率存在較強的基波信號，就會將其他噪聲源集成到緊湊的應用中。CMF是消除不需要的共模噪聲，避免在WiFi、LTE和藍牙等相同頻率的基本和無線數據頻段之間造成干擾，且不傳輸差分信號的標準方法。

如今，所有設計師都喜歡盡量減少材料元件。那么顯然就出現了一個問題，具體設計中是否需要CMF。理想情況下，帶CMF的組合與不帶CMF的組合沒什么不同，因為設計階段很難預測EMI問題。除非采用不會干擾信號路徑的標準ESD保護，未組裝時，CMF的引腳會干擾信號線。如果不需要濾波器，則需要使用具有一流RF數據功能的“插件”來彌補這個差距。或者，電路板需要一個新的設計周期來彌補差距。

自2009年以來，Nexperia一直是USB3.x的ESD保護產品的主要供應商之一。根據我們的經驗，USB3的收發器對ESD脈沖非常敏感，需要極低的鉗位ESD保護。因此，幾乎很自然地要將最新一代極低鉗位ESD保護，即TrEOS保護集成到這個“插件”中，從而取代CMF。TrEOS保護通常也用于集成CMF。通過選擇帶ESD保護的CMF和在相同引腳尺寸僅使用ESD保護，可以讓第一個電路板設計就成為最終的設計——至少保護和濾波器件就是如此。我們甚至還能在相同平臺上為一些市場提供CMF，而另一些市場則不提供CMF，并且無需耗時的重新設計。甚至還能在上市之后添加CMF選項。

選擇針對USB3.1的CMF時，我們選擇PCMFxUSB3S（保護和共模濾波，“x”代表差分線對的數量），而相同引腳尺寸的ESD保護則命名為PESDxUSB3S。

圖1.Nexperia提供帶ESD保護的CMF（左側，PCMF系列）和相同引腳尺寸的ESD保護（右側，PESD系列），允許在不用重新設計電路板的情況下迅速變更PCMF和PESD。

但是，將CMF與ESD保護組合到單個設備中并沒有明顯的原因。看看單獨的ESD保護設備和單獨的CMG（沒有充分的低鉗位ESD保護），二者獨自都能夠為差分信號提供充分的完整性，將單獨的CMF和ESD保護組合則不再能提供信號完整性。

測量帶寬限制的一種方法就是頻率，與低頻信號相比，差分信號會衰減3 dB。log10范圍的-10 dB衰減表示信號功率強度低一個數量級（或1/10），衰減為-20 dB 1/100，以此類推。

輸入和輸出信號的比率顯示為分散或短散射參數，其中S21顯示端口2和端口1之間的信號傳輸，S21dd表示差分輸入、差分輸出。

圖2.S21dd是輸入與輸出差分信號的比率，與頻率有關。此頻率的信號按3 dB衰減，這是差分通帶的頻率限值。曲線圖顯示，當添加ESD保護擁有14 GHz或7 GHz的通帶時，不含ESD保護且基于鐵氧體的CMF衰減，以及相同的濾波器。3dB頻率從6.3 GHz遞減至4.9 GHz或4 GHz。比較CMF的RF特性時，必需比較完整性能。

看個示例，ESD保護擁有14 GHz差分通帶，CMF擁有6.3 GHz的差分通帶，我們發現，將這兩者組合只能得到4.9 GHz的通帶。所以，比較完整解決方案（包括ESD保護）的性能至關重要。相比這下，對于帶ESD保護的集成CMF，即PCMFxUSB3S時，若將CMF和ESD保護兩種功能組合，仍然可以提供6.5 GHz的典型通帶。

圖3.帶ESD保護的集成CMF(PCMF3USB3S)的差分通帶，對于引腳1-2和引腳5-6處的線對情況比較。這些線對高度對稱，有助于避免數據扭曲。

考慮到所需的ESD保護時會發現PCMFxUSB3S能夠提供無與倫比的差分通帶。此外，高度對稱還可避免單線路和線對之間的運行時間差異，從而避免造成數據扭曲。數據扭曲會關閉時間軸上的眼圖。

圖4.眼圖會覆蓋所有潛在的1-0和0-1信號轉換（左側）。任何轉換都不得違反掩碼（右側），以便為接收器提供可接受的最低信號完整性。

圖4中顯示了一個實際事例，其中對比了10 Gbps時的PCMF2USB3S眼圖（USB3.1最高速度水平）與不含測試設備的參考電路板(DUT)

圖5.在測試電路板上比較PCMF2USB3S在10 Gbit/s時的USB3.1眼圖。

在外部實驗室使用我們的測試板，PCMF2USB3S在10 Gbit/s條件下通過了USB3.1標準測試。由于這些速度水平的數據速率明顯需要精心設計RF，Nexperia能夠和您分享全新USB Type-C連接器的布局示例。

HDMI標準針對音頻/視頻數據采用8個高速差分TMDS線。轉換到HDMI2.0時，許多設計工程師將會面臨一些挑戰：消費者仍會保留購買的HDMI1.4數據速率電纜。因此，HDMI接收器不需要擁有更高品質的電纜，而是要能在測試點2 (TP2)處理由于糟糕的電纜型號和其他數據扭曲變形的信號。

圖6.傳統HDMI眼圖是在測試點1 (Tp1)測得，另一個“最差電纜仿真器”和其他偏斜則添加到測試點2 (TP2)，以反映HDMI2.0數據速率對HDMI1.4電纜的使用情況。

TP2上的其他眼仍然不得違反掩碼：

圖7.測試電路板上PCMF2HDMI2S帶“最差電纜仿真器”（上圖）和其他偏斜在測試點2 (TP2)測得的眼圖，以及測試電路板上不含測試設備(DUT)的參考眼圖（下圖）。盡管眼圖看起來似乎有點陌生，但這卻是很好的“通帶”結果。TP1熟悉的眼圖看起來明顯更加美觀，并且可以在PCMFxHDMI2S的數據手冊中找到。

將CMF和ESD保護集成到一個設備的另一個原因，就是信號線對上的任何阻抗干擾都將影響一部分信號。如果信號路徑中發生嚴重干擾，那么就會造成多重相互干擾的反射、嚴重損害信號完整性，會關閉眼圖。一些數據標準，如HDMI標準的TMDS線，會限制數據線阻抗中發生此類阻抗偏差的次數和數量。

信號路徑上的阻抗變化會通過時域反射(TDR)測量顯示，其中信號的運行時間與信號路徑的距離成一定比例。對于USB3.1，差分阻抗應該為90 歐姆，HDMI TMDS的差分阻抗為100 歐姆。如果信號路徑的其他部分增加更多電容性負載，則信號會將本地阻抗降到目標值以下；如果其他部分增加更多電感性負載，那么本地阻抗將在目標值以上。任何阻抗偏差，無論是電容性阻抗還是電感性阻抗，都將引發這些信號反射。

圖8中包含一個示例，其中顯示了兩個帶ESD保護的不同集成式CMF在一段運行時間（距離）的阻抗差異。例如，圖中顯示了不帶測試設備(DUT)的測試電路板的阻抗。一個設備PCMFxHDMI2S顯示對應帶極低電容的單獨ESD保護設備存在阻抗下降，另一個集成式CMF則顯示存在違背HDMI標準規定限值的電感行為。

圖8.兩個使用200 ps濾波器（符合HDMI標準）進行ESD保護的集成式共模濾波器的TDR（時域反射）測量。阻抗Z可隨運行時間（距離）進行測量。PCMF濾波器明顯位于HDMI標準設置的限值以內，而比較濾波器則太過電感性而無法通過此測試。這兩款濾波器與不帶濾波器的參考電路板（無干擾傳輸線路）進行比較。由于電路板位置和設備大小不同，所以時間范圍也不盡相同。

由于全新Type-C連接器支持發送功能，例如通過USB3.1接口發送HDMI數據，所以用于此接口的設備能夠符合幾個標準的要求就顯得尤為重要了。但即便是不需要遵守HDMI標準，最大程度降低設備阻抗的影響也會最大程度減少反射，并針對所有數據標準提供良好的信號完整性。

第一部分總結：在信號完整性方面，必須選擇廣泛差分通帶解決方案確保信號傳輸，并比較組合CMF和ESD保護的完整解決方案。

由于選擇CMF用于抑制不需要的噪聲，所以共模抑制顯然也是一個重要參數。在S21cc中，共模抑制也歸為一種頻率散射參數。同樣，-10 dB的衰減將意味著共模噪聲頻率低一個數量級(1/10)。

圖9.比較PCMFxUSB3S與圖1中所示USB3.1鐵氧體濾波器的共模抑制。由于需要避免2.5 GHz時USB3.1 5 Gbps基波與WiFi、藍牙和LTE-頻段之間的干擾，所以此頻率范圍內的強大抑制功能顯得尤其重要。2.5 GHz左右的PCMFxUSB3S抑制明顯超過-30 dB（不到共模功率的1/1000），并能在700 MHz和10 GHz之間提供高一個數量級的功率抑制，覆蓋所有帶寬帶共模抑制的GSM/3G/LTE/WiFi/GPS/藍牙頻率。

選擇共模濾波器時，應該關注針對基波以及需要相互隔離的無線和有線數據標準的更高諧波的強大共模抑制功能。對于5 Gbps時的USB3.1，2.5 GHz時的基波處于擁擠的無線頻段（LTE、WiFi、藍牙）的中間，在此區域需要超強抑制功能。對于HDMI2.0，1.7至3 GHz的頻率最為關鍵。與此同時，共模抑制還應該擁有足夠寬的帶寬，從而抑制不顯眼的頻率范圍內的潛在噪聲問題。

迄今為止，我們已經解決了如何確定信號完整性和共模噪聲抑制的問題。但是，ESD脈沖鉗位在保護敏感收發器時的效果如何？

看看極快信號的收發器，如USB3.1，我們會發現整個系統的ESD生存水平不是由ESD保護設備的耐受性定義的，而是由鉗位行為定義的。就是說，ESD保護設備傳輸多少剩余ESD呢？這是我們目前得到的所有收發器的情況。盡管如此，我們的PCMF/PESD系列可耐受15 kV觸點的IEC 61000-4-2 ESD脈沖，后者超過了此IEC標準的最高水平4。PCMFxUSB3S和PCMFxHDMI2S以及PESDxUSB3S全都建立在Nexperia的TrEOS保護技術的基礎之上，其中結合了行業領先的開關速度(0.5 ns)、最低動態阻抗以及針對8/20浪涌及ESD脈沖的高耐受性。

這些全新CMF在保護極敏感收發器方面的效果如何？我們嘗試將PCMFxUSB3S結合目前最敏感的USB3.1收發器使用，確認此組合在幾個通道中的耐用水平已經超過了15 kV IEC 61000-4-2。除了高效處理共模問題，在處理USB3.1頻率同時還保護極敏感的收發器免遭ESD影響方面，PCMF是迄今為止（2016年4月）最有效的解決方案。

一些基于鐵氧體/陶瓷的CMF可提供集成ESD保護功能；由于他們具備幾百伏的鉗位電壓，所以不會為敏感的收發器芯片提供額外保護。圖9顯示了集成ESD保護的陶瓷/鐵氧體濾波器與更早的PCMF流程生成的對比情況。

圖10比較了帶硅基ESD保護的集成CMF與帶集成ESD保護的鐵氧體CMF的TLP鉗位。PCMFxUSB3S、PCMFxHDMI2S和PESDxUSB3S提供更低的鉗位電壓，但是，在需要顯示鐵氧體基ESD保護的TLP行為的范圍內，這可能會丟失。

既然鐵氧體在ESD鉗位方面明顯不具備競爭力，那么PCMFxUSB3S系列與帶硅基ESD保護的其他CMF比較如何呢？簡單地說，相比所有其他共模濾波器，PCMFxUSB3S能夠提供最低的鉗位電壓。

圖11.比較PCMF系列與集成ESD保護的其他CMF的TLP鉗位。

總之，查看極快數據線的保護和濾波時，我們可以明確這些要點：

差分信號必須要能傳達保護和濾波解決方案，如差分通帶和眼圖所示，這還需要通過合規標準。

在單獨CMF中增加其他ESD保護功能會明顯弱化系統性能，即便兩個設備各自都展現出一流的RF性能時也是如此。

USB3.1在2.5和5 GHz等關鍵頻率下的共模抑制必須非常高。

ESD鉗位必須非常低。

最終，系統必須要能交換使用帶ESD保護的CMF與僅含ESD保護的CMF，避免重新設計并支持更短上市時間。

審核編輯：郭婷