März 2011

Dünnfilm-Gleichtaktfilter mit integriertem ESD-Schutz

Extrem flacher Schutz für mobile Geräte

Dünnfilm-Gleichtaktfilter der TDK TCE1210-Serie sind weltweit die ersten Bauelemente, in denen die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen und der ESD-Schutz in Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen kombiniert ist. Dadurch kann die Anzahl der erforderlichen Bauelemente verringert und die Bestückungsfläche verkleinert werden.

Die Anfälligkeit mobiler Geräte gegenüber elektrostatischen Entladungen (ESD) nimmt in dem Maße zu, wie die Miniaturisierung der Halbleiter-Prozessgeometrien ihrer ICs voranschreitet. Gleichzeitig erfordert der Betrieb mit höheren Taktraten und Frequenzen einen Schutz vor Gleichtaktstörungen, die an Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen abgestrahlt werden. Die Dünnfilm-Gleichtaktfilter der TDK TCE1210-Serie sind mit einer integrierten ESD-Unterdrückung ausgestattet. So können sie gleichzeitig Gleichtaktstörungen unterdrücken und empfindliche Komponenten vor elektrostatischen Entladungen schützen. Dank modernster Dünnfilm-Prozesstechnologien sind die neuen Dünnfilm-Gleichtaktfilter mit ihren Maßen von nur 1,25 × 1,0 × 0,60 mm³ kleiner und flacher als bisher verfügbare Bauelemente. Diese Filter wurden 2008 mit dem japanischen „Cho Monodzukuri Innovative Parts and Components Award“ prämiert – einer Auszeichnung für innovative Bauelemente und Komponenten, die von der renommierten Handels- und Wirtschaftszeitung Japans, Nikkan Kogyo Shimbun, in der Kategorie elektrische und elektronische Komponenten verliehen wird.

Viele der digitalen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie USB und HDMI setzen das differenzielle Übertragungsverfahren ein, bei dem das Signal über zwei Leitungen mit einer Phasenverschiebung von 180° übertragen wird. In der Theorie ist die differenzielle Übertragung (auch bekannt als symmetrische Übertragung) durch eine geringere Störstrahlung als das eindrahtige Übertragungsverfahren gekennzeichnet. Sie wird nur geringfügig durch die Störstrahlung anderer Systeme beeinträchtigt. Allerdings können als „Skew“ bezeichnete Asymmetrien auftreten, die einen Gleichtakt-Störstrom verursachen, der wiederum zu Fehlfunktionen und sonstigen Systemproblemen führt. Dies geschieht, wenn die Phasen der beiden Signale verschoben sind oder die Pulsbreiten oder Amplituden der beiden Phasen voneinander abweichen.

Ohne geeignete Schutzmaßnahmen bleiben Schnittstellenkabel zur Verbindung digitaler Geräte eine Störquelle. Aus diesem Grund ist ein Gleichtaktfilter notwendig, um die elektromagnetische Verträglichkeit zwischen dem Gerät und der Schnittstelle sicherzustellen.

Festplattentechnologie schafft Miniaturisierung

Der Bedarf an extrem kleinen Gleichtaktfiltern ist bei Mobiltelefonen und Digitalkameras besonders hoch. Daher haben die Entwickler die von TDK ursprünglich für die Herstellung von Festplattenköpfen entwickelten hochmodernen Dünnfilm-Prozesstechnologien angewandt, um eine leitende Dünnfilmspule auf eine Ferritschicht aufzulaminieren. Das Ergebnis sind die Dünnfilm-Gleichtaktfilter der TCM-Serie, die weniger als den halben Platz beanspruchen wie herkömmliche Filter.

Mobile Geräte werden besonders häufig berührt, da oft Kabel ein- und ausgesteckt werden. Aus diesem Grund müssen ihre Schaltkreise zuverlässig gegen elektrostatische Entladungen (ESD) geschützt sein.

Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau der Gleichtaktfilter der TDK TCE1210-Serie
Die Gleichtaktfilter der TDK TCE1210-Serie besitzen als ESD-Schutz ein Mikrospalt-Element, das mit Hilfe der Dünnfilm-Fertigungstechnologie integriert wird.

Dies wurde durch die Entwicklung einer Mikrospalt-Elektrodenstruktur mit stabilen Eigenschaften erreicht. Bauelemente zum ESD-Schutz mit Mikrospalt bestehen aus einem Elektrodenpaar, das von einer Glasröhre umhüllt und in einen Chip integriert ist. Der große Vorteil dieser Bauelemente besteht neben der Miniaturisierung in ihrer äußerst niedrigen Kapazität zwischen den Anschlüssen. Nur so ist es möglich, dass auch bei sehr hohen Datenraten das Signal nicht verzerrt wird.

Der integrierte ESD-Schutz mit Mikrospalt wird auf einem Ferritsubstrat gefertigt, auf das eine Dünnfilmspule, eine Isolierschicht sowie weitere Schichten aufgetragen werden, die zusammen den Dünnfilm-Gleichtaktfilter bilden (Abbildung 1).

Abbildung 2: Abgestrahltes Rauschen bei einem USB 3.0-Signal

Rauschunterdrückung von rund 15 dB durch Verwendung der TDK TCE1210 Filter-Serie.

Die Anforderungen für USB 3.0 werden von der TCE1210-Serie bei Weitem erfüllt. Die in Abbildung 2 dargestellten Messdaten bestätigen die Wirkung des Gleichtaktfilters. Als Übertragungssignal wurde ein USB 3.0-Signal mit 2,5 GHz (5 Gbit/s) benutzt. Ohne den Filter treten Spitzen im Bereich zwischen 2 GHz und 3 GHz auf. Wird ein Filter der TCE1210-Serie eingesetzt, wird das Störsignal um etwa 15 dB reduziert.

Abbildung 3: Wellenwiderstand mit einem Varistor und einem TDK TCE1210-Gleichtaktfilter

Die TDK TCE1210 Filter-Serie ermöglicht eine typische Impedanz von 90 Ω ±7 Ω und erfüllt damit die Anforderungen von USB 3.0.

Abbildung 3 belegt eindeutig die Wirksamkeit der ESD-Unterdrückung durch die TCE1210-Serie. Bei Einsatz eines Varistors mit einer Kapazität von 1 pF zwischen den Anschlüssen fällt der Wellenwiderstand der Leitung auf unter 80 Ω. Für USB 3.0 erhöhen sich die Anforderungen an die Konstanz des Wellenwiderstands auf 90 Ω ±7 Ω. Der Wellenwiderstand der TCE1210-Serie erfüllt diese Anforderung. Die Auswirkungen auf das Signal sind vernachlässigbar.

Abbildung 4: ESD-Unterdrückung mit und ohne die TDK TCE1210-Serie

Elektrostatische Entladungen werden durch TDK TCE1210 auf unkritische Werte begrenzt.

Werden keine Maßnahmen zum Schutz vor ESD getroffen, so ist ein steiler Ausschlag nach oben in der Kurve zu beobachten. Die Filter der TCE1210-Serie zeigen eine deutliche Wirkung bei der Absorption statischer Elektrizität (Abbildung 4).

 

Bauelementezahl deutlich verringert

Durch die Kombination von Gleichtaktstörungs- und ESD-Schutz in einem Bauelement benötigt die TCE1210-Serie eine weitaus kleinere Bestückungsfläche und reduziert die Anzahl der erforderlichen Bauelemente. Beispielsweise wurden bisher für HDMI (Standard mit differenzieller Übertragung) vier Gleichtaktfilter pro Anschluss und zwei Varistoren pro Filter benötigt, also insgesamt zwölf Bauelemente. Werden dagegen Filter der TCE1210-Serie mit integrierter ESD-Unterdrückung verwendet, müssen lediglich vier Bauelemente montiert werden.

 

Wesentliche Kenndaten: TDK TCE1210 Dünnfilm-Gleichtaktfilter
TypTCE1210-900-2P
Gleichtaktwiderstand [Ω]60 min. 90 typ.
Grenzfrequenz [GHz]5,0
ESD-StandardIEC61000-4-2 Level 4 konform
Klemmspannung (max.) [V]100
Nennspannung (max.) [V]10
Nennstrom [mA]100
Abmessungen [mm³]1,25 × 1,00 × 0,60

Die Nachfrage nach einer Verringerung der Komponentenzahl und einer Verkleinerung der Bestückungsfläche für mobile Geräte wie Mobiltelefone, Digitalkameras und tragbare Musik-Player wird in dem Maße weiter zunehmen, wie die Funktionen und die Miniaturisierung weiterentwickelt werden. Je höher die Frequenzen der Übertragungssignale sind, desto entscheidender ist eine verbesserte Unterdrückung von Gleichtaktstörungen. Mit der zunehmenden Verkleinerung der Geometrien von Halbleitern wird der ESD-Schutz für tragbare Geräte immer wichtiger. Die neue TCE1210-Serie wurde für diese Anforderungen konzipiert und trägt so zur Verbesserung der Leistung und Zuverlässigkeit mobiler Geräte bei.

Grundprinzip der Rauschunterdrückung

Ein Gleichtaktfilter ist ein elektronisches Bauelement mit zwei Leitungsdrähten, die in derselben Richtung um einen ringförmigen Kern gewickelt sind. Bei einem Stromfluss durch die Spule fließt der erzeugte magnetische Fluss in den Kern. Auch der Signalstrom fließt durch die Spule, allerdings in einem differenziellen Modus, bei dem sich die Ausgangs- und Empfangssignale in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Der magnetische Fluss bewegt sich ebenfalls in entgegengesetzten Richtungen und hebt sich innerhalb des Kerns gegenseitig auf. Aus diesem Grund hat ein Gleichtaktfilter keine Auswirkungen auf den Signalstrom.

Ein Gleichtakt-Störstrom hingegen fließt in ein und derselben Richtung, weshalb auch der magnetische Fluss im Kern in derselben Richtung fließt und durch diese Akkumulierung stärker wird. Dies führt zu einer höheren Impedanz, und der Durchfluss des Gleichtakt-Störstroms wird unterbunden.

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