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下一世代智慧型手機的電磁干擾問題與對策2012/01/01

在科技快速創新的步調中,手機 (mobile phone, 或稱行動電話) 已經成為人們普遍的生活必需品了。智慧型手機 (smartphone) 的功能演進更是一日千里。現今智慧型手機的功能除了 基本的撥接電話 (phone calls)、收發簡訊 (texting) 之外,更有人性化的觸控螢幕 (touch panel) 輸入介面 (user interface, UI),將傳統的按鍵輸入轉換為直接在三吋半或四吋的大螢 幕上以指尖觸控輸入。全球衛星定位系統 (global positioning system, GPS) 可以讓使用者本人、或想幫助使用者脫困的人得以知道手機所在的確切位址。簡易地收發電子郵件 (e-mail) 更是商務人士無法抗拒的貼心服務,解決了原本必須使用相對笨重的可攜式電腦 (notebook PC) 收發電子郵件的麻煩。高畫素 (pixel, 或稱像素) 的照相、攝影 (camera, film recording) 功能,使得人們不再需要隨時攜帶一個數位相機或攝影機。視訊通話 (video telephone conversation) 可以讓相隔兩地的人好似坐在一起般地看著彼此的動態即時影像交談。投影簡 報 (projection presentation) 功能讓商務人士不需要另外攜帶一個投影機 (projector) 即可進行簡報。雲端運算 (cloud computing, ex.: Apple iCloud) 使人們在不同的地點,只要能上 網就可以存取編輯同一個檔案,不再需要隨時準備硬碟 (hard disk) 或隨身碟 (USB flash drive)。應用程式下載 (download JAVA programs, ex.: App store) 的功能使得手機在購買 後,仍得以不斷地擴充升級 (upgrade) 使用者想要的功能。個人數位助理 (personal digital assistant, PDA) 方面的功能則有: 鬧鐘 (alarm clock) 、日曆 (calendar) 、行事曆 (scheduling)、計算機 (calculator)、字典 (dictionary)、通訊錄 (phone book)、地圖 (map)等。娛樂 (entertainments) 方面的功能有:遊戲 (games)、音樂/影片播放 (music/film player) 等。其他還有:來電答鈴 (ringback tone)、藍牙耳機 (headset) 等工具 (facility) [1]。

簡略地介紹完智慧型手機所擁有的強大功能後,就可以理解在硬體 (hardware) 上也需要相對應的先進技術規格才能完美地展現前述功能。因此,手機處理器 (processor) 製造商必須 持續不斷地推出更新、更快、功能更強大的處理器: 從單核 (single-core) 到雙核(dual-core),再到2011-Oct.-07 才剛發表的四核 (quad-core, Snapdragon S4) [2],就是希 望能將智慧型手機所擁有的各種功能都發揮得淋漓盡致。有了強大的處理器,當然也要相配合大容量的唯讀記憶體 (ready only memory, ROM)、隨機記憶體 (random access memory, RAM)、以及快閃記憶體 (flash memory),才能支援存取大量的系統資訊、應用程式、及影音資料。


由於智慧型手機在有限的體積內設計完成了諸多強大的功能,因此在其電路板 (printed circuit board, PCB) 上的元件佈局積集度 (layout integration density) 也愈來愈高,使得電路 板上各元件的尺寸 (dimension) 及間距 (spacing) 愈來愈小。因而各別功能在操作狀態下所發射出來的電磁雜訊 (high-frequency harmonics) 更加容易干擾鄰近電子元件的正常運作。 另一方面,由於生活中3C 產品 (3C products, or, computers/communications/consumer products) 的普及,使得智慧型手機在待機狀態 (standby) 下、背景環境的電磁雜訊 (background noise level) 強度與日俱增。如果智慧型手機本身同時開啟的功能愈多,這些開啟的功能所造成的高頻雜訊就會疊加在既有的背景環境電磁雜訊強度上,使得智慧型手機各 功能的表現受到愈嚴重的影響,造成產品電磁干擾 (electromagnetic interference, EMI) 的問題。

晶焱科技 (Amazing Microelectronic Corp., AMC, URL: www.amazingic.com) 在靜電放電防護 (electrostatic discharge protedction, ESD protection) 技術上,早已累積了豐富的技術與經驗。其電磁干擾濾波器 (EMI filter) 產品都是針對智慧型手機的硬體設計需求而開發出來的。為了能同時有效解決智慧型手機產品電磁干擾的問題,並兼顧靜電放電防護的功用,晶焱科技陸續推出了數款具有靜電放電防護功能的電磁干擾濾波器 (EMI+ESD filter)。這些電 磁干擾濾波器產品均屬於p型 (pi-model) 的低通濾波器 (low pass filter, LPF)。其電路架構圖如圖一所示。由於電磁干擾濾波器多應用於電子產品的輸出入埠 (input/output port),因此 濾波器架構中的輸出入埠端點對GND 的電容,一般會採用暫態電壓抑制器 (transient voltage suppressor, TVS) 的靜電放電防護元件,以兼做高標準的靜電放電防護之用。因此,除了可 以提供良好的低通濾波效果之外,還擁有很好的靜電放電防護效果。




在智慧型手機的下列應用上,晶焱科技分別提供了相對應的電磁干擾濾波器產品。 
 

  • LCD (Liquid Crystal Display) 
  • SIM (subscriber identity module, SIM) card 
  • Keypad 
  • MMC / SD 卡 (multimedia card, MMC / secure digital card, SD card):近年MMC 卡技術漸被SD 卡所代替;但由於MMC 卡仍可被兼容SD 卡的設備所讀取,因此仍有其作用 [3]。 
  • USB (universal serial bus):手機充電、資料存取
     


另外,在LCD 的應用上,晶焱科技也開發了相對應的CSP package 產品:AZM-LCD01-04B、AZM-LCD02-08B、AZM-LCD03-10B、AZM-LCDL1-10B,以因應客戶不同的需求。


晶焱科技所開發的電磁干擾濾波器產品有下列幾個優勢:

一、在靜電放電防護方面,該系列產品中的暫態電壓抑制器具有極低的箝位電壓 (clamping voltage, Vclamp)。 當靜電放電事件 (ESD event) 發生時,暫態電壓抑制器的箝位電壓愈低,則愈能適時地導通可觀的靜電放電電流,以提供受保護電路免於遭受靜電放電的侵害而永久受損失 效。圖二所示,即為利用傳輸線觸波產生系統 (transmission line pulsing system, TLP system) 所量得的箝位電壓比較圖表。由圖表中可以清楚看到,晶焱科技 (AMC) 所開發的電磁干擾濾波器,在17 安培 (ampere, A) 的高靜電放電電流下,其箝位電壓遠低於相似產品,可以非常有效地提供受保護電路一個快速有效的靜電放電旁通路徑 (bypass path)。

二、抗靜電防護效果高達15 千伏以上 (IEC 61000-4-2, contact mode ±15kV)根據IEC 61000-4-2 標準所制訂的規格,第四級防護需提供至少接觸放電模式 (contact discharge mode) 8 千伏 (kilo voltage, kV)、空氣放電模式 (air discharge mode) 15千伏以上的靜電放電防護能力。該系列產品提供接觸放電模式15 千伏以上的靜電放電防護 能力,明顯超出IEC 61000-4-2 標準第四級所規定的需求數值許多。

三、由於智慧型手機需要依靠電池來供應所需電力,所以在元件正常使用時的漏電流 (device leakage current) 若愈大,則電池供電的時間就會縮短。 圖三所示,為晶焱科技所推出的電磁干擾濾波器新產品與相似產品的漏電流比較圖。由圖中二條曲線的比較可知,晶焱科技的電磁干擾濾波器新產品,其漏電流比相似產品更小,可增長智慧型手機電池的可持續使用時數。


四、在封裝方面,晶焱科技的電磁干擾濾波器產品在矩形平面無引腳封裝 (dual flat no-lead,DFN) 形式方面採用0.4 或0.5 毫米 (mm) 的腳位間距 (pin pitch)。在晶片級封裝 (chip scale package, CSP) 的形式方面則採用0.4 (mm) 的腳位間距 (pin pitch)。因此,在進行系統設計時,可以有效減省電磁干擾濾波器元件所需佔用的電路板面積 (layout area),方便其它電路元件的擺置與設計。

關於此一系列產品的詳細規格,請洽詢晶焱科技業務部門:sales@amazingic.com。 本文作者:晶焱科技 設計研發部 ╱ 彭政傑 經理


參考文獻:
1. 維基百科, "智慧型手機," Oct. 9, 2011. webpage : http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%99%BA%E6%85%A7%E5%9E%8B%E6%89%8B%E6%A9%9F
2. Qualcomm (NASDAQ: QCOM), "Snapdragon S4 Processors: System on Chip Solutions for a New Mobile Age," Oct. 7, 2011. webpage : http://www.qualcomm.com/documents/snapdragon-s4-architecture http://www.qualcomm.com/documents/files/snapdragon-s4-processors-system-on-chip -solutions-for-a-new-mobile-age-white-paper.pdf
3. 維基百科, "多媒體記憶卡," Jul. 30, 2011. webpage : http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%9A%E5%AA%92%E9%AB%94%E8%A8%98%E6%86%B6%E5%8D%A1
 

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