- 手機(jī)音頻系統(tǒng)中ESD及EMI的起因及結(jié)果
- 手機(jī)中音頻系統(tǒng)的抗ESD和EMI干擾設(shè)計(jì)
- 使用ESD干擾抑制器和EMI濾波器
- 離散解決方案
- 低溫共燒陶瓷(LTCC)和變阻器解決方案
- 集成被動(dòng)和主動(dòng)設(shè)備
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本文介紹了手機(jī)音頻系統(tǒng)中ESD及EMI的起因及結(jié)果，接著研討了ESD干擾抑制器和EMI濾波器的使用，以避免這些威脅。最后，比較了當(dāng)前三種解決方案。
現(xiàn)代材料和技術(shù)引起靜電放電(ESD)和電磁干擾(EMI)，并成為經(jīng)常存在的危險(xiǎn)。我們的穿著和我們接觸的物品會(huì)引起靜電放電。數(shù)字技術(shù)已有電磁干擾。靜電放電會(huì)破壞手機(jī)里的電子部件。手機(jī)容易替換，但對(duì)用戶的傷害很大。手機(jī)電路設(shè)計(jì)者必須確保采取必要的措施，以消除ESD的破壞。
在音頻電路中如有電磁干擾(EMI)，會(huì)出現(xiàn)嘶嘶、噼啪、嗡嗡等聲音，聲音質(zhì)量很差。手機(jī)用戶無(wú)法忍受這樣的干擾。因此，必須設(shè)法過(guò)濾音頻電路的電磁干擾。
1 靜電放電——起因、結(jié)果和抑制
1.1 靜電放電的起因
差不多每個(gè)人都經(jīng)歷過(guò)靜電流的影響。當(dāng)我們還是史前石器時(shí)代的穴居人時(shí)，我們已在閃電中見(jiàn)到過(guò)它。當(dāng)然，它今天仍是重大的威脅，各處都有。用塑料梳子梳頭，可看到靜電荷的產(chǎn)生。將你的手臂靠近電視機(jī)的屏幕，你會(huì)看到你手臂上的汗毛豎起來(lái)。這也是靜電效應(yīng)。
當(dāng)你打開(kāi)車(chē)門(mén)，從你的車(chē)中走出，你也許會(huì)感受到一陣電擊，它來(lái)自靜電釋放。隨著家里和工作地點(diǎn)擁有越來(lái)越多的電器設(shè)備，靜電已是一種持續(xù)的危險(xiǎn)。制造或維修電氣設(shè)備的人們要保護(hù)自己和工作用的設(shè)備，他們將自己與設(shè)備連接，用以避免電器設(shè)備靜電放電造成的傷害。
1.2 靜電放電的結(jié)果
我們能看到閃電打擊建筑物和樹(shù)，它具有破壞力。如果電子電路的ESD保護(hù)不是最優(yōu)，即使是很少的放電，也會(huì)破壞靈敏的電子電路，這是人們已探測(cè)到的。手機(jī) 具有一定的ESD保護(hù)。音頻電路的外部連接是ESD最常見(jiàn)的來(lái)源。簡(jiǎn)單地插入耳機(jī)及擴(kuò)音器，這也許意味著手機(jī)將受ESD的影響。
如圖1所示，電子部件受ESD影響時(shí)，會(huì)發(fā)生什么?會(huì)產(chǎn)生一個(gè)細(xì)微的孔，氧化物將侵?jǐn)_部件。
圖1 受ESD影響，氧化物沖進(jìn)一個(gè)小孔
1.3 靜電放電的抑制
與所有的商品相同，手機(jī)必須根據(jù)IEC61000-4-2條例鑒定其ESD。條例規(guī)定：手機(jī)可抵抗15 kV空氣放電(通過(guò)330Ω／150 pF)，即大約不小于1毫微秒穿過(guò)45 A電流。在這種情況下，手機(jī)應(yīng)能繼續(xù)工作，沒(méi)有被破壞。上述是一個(gè)高能量脈沖與ESD人體模型實(shí)驗(yàn)的比較情況。為了保護(hù)主芯片，在每一潛在的ESD入口點(diǎn)都必須添加額外的ESD保護(hù)。一般來(lái)說(shuō)，抑制ESD的設(shè)備生成可控輸出，稱作箝位電壓。
圖2所示的是一次ESD事件中，ESD保護(hù)設(shè)備的輸出(箝位電壓)。
2 電磁干擾EMI——起因、結(jié)果及濾波器
2.1 EMI的起因
電流流動(dòng)，在導(dǎo)體周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。電流變化，磁場(chǎng)會(huì)隨之變化。所以，簡(jiǎn)單地開(kāi)關(guān)電流，即會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的變化。磁場(chǎng)的變化可引發(fā)附近其他導(dǎo)體產(chǎn)生信號(hào)。上述是基本的電學(xué)原理。
家庭用電和工業(yè)用電均使用50Hz或60Hz交流電。這是聽(tīng)得見(jiàn)的頻率范圍。電流持續(xù)不斷地變化，附近相同頻率的導(dǎo)體將產(chǎn)生信號(hào)。如果你使用過(guò)Hi-Fi，使用獨(dú)立的播放器和擴(kuò)音器，而同時(shí)它們底盤(pán)未連接在一起，你將聽(tīng)到嗡嗡聲。
思考當(dāng)今電子世界，到處信號(hào)持續(xù)不斷地變化：
- 音頻的輸入／輸出能產(chǎn)生輻射及傳導(dǎo)EMI，然后發(fā)射更高頻率的射頻線，導(dǎo)致信號(hào)失真。
- 手機(jī)天線(TDMA脈沖)會(huì)發(fā)射射頻信號(hào)，此信號(hào)可被長(zhǎng)線頭戴式耳機(jī)接收，導(dǎo)致音頻信號(hào)通路中EMI噪音。
GSM(全球通)手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)使用頻分多路傳輸和時(shí)分多路傳輸，同時(shí)傳送大量電話，如圖3所示。
特定的手機(jī)只在屬于它的時(shí)間空當(dāng)發(fā)射。包絡(luò)信號(hào)的基本頻率是1／4.615 ms=217Hz。諧波頻率為434Hz、651Hz等。如此頻率是聽(tīng)得到的。如圖4所示，為手機(jī)的包絡(luò)信號(hào)。
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2.2 EMI的結(jié)果
當(dāng)手機(jī)與基站通訊，或兩個(gè)手機(jī)彼此接近時(shí)，發(fā)射脈沖通過(guò)擴(kuò)音器，揚(yáng)聲器，或頭戴式耳機(jī)線傳人音頻通路。見(jiàn)圖5。
結(jié)果是音頻質(zhì)量大幅降低。
2.3 EMI濾波器
EMI濾波器盡可能地接近EMI干擾的切入點(diǎn)，這樣盡可能保證音頻質(zhì)量。如圖6。
濾波器的選擇應(yīng)根據(jù)它的帶寬，截止頻率及阻帶抑制特點(diǎn)。另一創(chuàng)建高質(zhì)量聲音的因素是總諧波失真度(THD)。不好的THD可毀壞其它極好的音頻系統(tǒng)的聲音質(zhì)量。比較理想的是；EMI濾波器的THD值好于最弱的信號(hào)鏈。
具有代表性的特點(diǎn)：
- 800-2480 MHz頻率帶的阻帶衰減不小于-25 dB
- 10-800 MHz頻率帶的阻帶衰減不小于-20dB
- MIC線不小于-70 dB(A)THD+N(0.03％)，可提供高質(zhì)量音頻。
3 考慮電路板空間
手機(jī)集成了越來(lái)越多的多媒體功能，例如：GPS，MP3，F(xiàn)M，藍(lán)牙，及DVB-H。這些功能均要求額外的電路板空間。設(shè)計(jì)者必須為ESD及EMI解決方案擠出空間。
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4 三種解決方案的比較
市場(chǎng)中的一些解決方案并沒(méi)有提供完善的方法。圖7中有三種可能的解決方案。
4.1 離散解決方案
這種解決方案采用24個(gè)分立部件，組成ESD抑制器和EMI濾波器。此方案不是最優(yōu)化。它工作的費(fèi)用和可靠性受24個(gè)分立部件制約。
4.2 低溫共燒陶瓷(LTCC)和變阻器解決方案
低溫共燒陶瓷(LTCC)EMI濾波器可以很好地完成濾波需求。但是，變阻器具有高的箝位電壓(最大VCL>100V)。因而沒(méi)有提供最優(yōu)化的靈敏亞微型芯片ESD保護(hù)。
4.3 集成被動(dòng)和主動(dòng)設(shè)備
這一技術(shù)將保護(hù)二極管和被動(dòng)元件相結(jié)合，如集成電路硅芯片中的電阻和高密度電容。與前兩個(gè)解決方案比較，IPAD解決方案的優(yōu)點(diǎn)如下：
- 可完成所有ESD抑制和EMI濾波器需求。
- 可節(jié)省大量的電路板空間(大約78％)
- 因使用天然硅設(shè)備，可提供更顯著的可靠性和更低的運(yùn)作成本。
5 結(jié)論
這篇文章介紹了手機(jī)音頻界面中ESD和EMI的起因及潛在結(jié)果，并大致講述了ESD抑制及EMI濾波器的需求。比較可用的集成ESD保護(hù)及EMI濾波器的解決方案，可提供最好的ESD保護(hù)(最低的VCL)及最好的阻帶衰減，還可提供其他有利條件，例如：更好的可靠性和更低的運(yùn)作費(fèi)用。
