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手机中音频系统抗ESD和EMI干扰设计

我爱方案网| ESD,EMI,手机| 2012-01-31
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中心议题:
    *  手机音频系统中ESD及EMI的起因及结果
    *  手机中音频系统的抗ESD和EMI干扰设计
解决方案:
    *  使用ESD干扰抑制器和EMI滤波器
    *  离散解决方案
    *  低温共烧陶瓷(LTCC)和变阻器解决方案
    *  集成被动和主动设备

本文介绍了手机音频系统中ESD及EMI的起因及结果,接着研讨了ESD干扰抑制器和EMI滤波器的使用,以避免这些威胁。最后,比较了当前三种解决方案。

现代材料和技术引起静电放电(ESD)和电磁干扰(EMI),并成为经常存在的危险。我们的穿着和我们接触的物品会引起静电放电。数字技术已有电磁干扰。 静电放电会破坏手机里的电子部件。手机容易替换,但对用户的伤害很大。手机电路设计者必须确保采取必要的措施,以消除ESD的破坏。

在音频电路中如有电磁干扰(EMI),会出现嘶嘶、噼啪、嗡嗡等声音,声音质量很差。手机用户无法忍受这样的干扰。因此,必须设法过滤音频电路的电磁干扰。

1 静电放电——起因、结果和抑制

1.1 静电放电的起因

差不多每个人都经历过静电流的影响。当我们还是史前石器时代的穴居人时,我们已在闪电中见到过它。当然,它今天仍是重大的威胁,各处都有。用塑料梳子梳头,可看到静电荷的产生。将你的手臂靠近电视机的屏幕,你会看到你手臂上的汗毛竖起来。这也是静电效应。

当你打开车门,从你的车中走出,你也许会感受到一阵电击,它来自静电释放。随着家里和工作地点拥有越来越多的电器设备,静电已是一种持续的危险。制造或维修电气设备的人们要保护自己和工作用的设备,他们将自己与设备连接,用以避免电器设备静电放电造成的伤害。

1.2 静电放电的结果

我们能看到闪电打击建筑物和树,它具有破坏力。如果电子电路的ESD保护不是最优,即使是很少的放电,也会破坏灵敏的电子电路,这是人 们已探测到的。手机 具有一定的ESD保护。音频电路的外部连接是ESD最常见的来源。简单地插入耳机及扩音器,这也许意味着手机将受ESD的影响。

如图1所示,电子部件受ESD影响时,会发生什么?会产生一个细微的孔,氧化物将侵扰部件。


图1 受ESD影响,氧化物冲进一个小孔

 


1.3 静电放电的抑制

与所有的商品相同,手机必须根据IEC61000-4-2条例鉴定其ESD。条例规定:手机可抵抗15 kV空气放电(通过330Ω/150 pF),即大约不小于1毫微秒穿过45 A电流。在这种情况下,手机应能继续工作,没有被破坏。上述是一个高能量脉冲与ESD人体模型实验的比较情况。为了保护主芯片,在每一潜在的ESD入口点 都必须添加额外的ESD保护。一般来说,抑制ESD的设备生成可控输出,称作箝位电压。

图2所示的是一次ESD事件中,ESD保护设备的输出(箝位电压)。

2 电磁干扰EMI——起因、结果及滤波器

2.1 EMI的起因
电流流动,在导体周围产生磁场。电流变化,磁场会随之变化。所以,简单地开关电流,即会产生磁场的变化。磁场的变化可引发附近其他导体产生信号。上述是基本的电学原理。

家庭用电和工业用电均使用50Hz或60Hz交流电。这是听得见的频率范围。电流持续不断地变化,附近相同频率的导体将产生信号。如果你使用过Hi-Fi,使用独立的播放器和扩音器,而同时它们底盘未连接在一起,你将听到嗡嗡声。

思考当今电子世界,到处信号持续不断地变化:

  • 音频的输入/输出能产生辐射及传导EMI,然后发射更高频率的射频线,导致信号失真。
  • 手机天线(TDMA脉冲)会发射射频信号,此信号可被长线头戴式耳机接收,导致音频信号通路中EMI噪音。


GSM(全球通)手机标准使用频分多路传输和时分多路传输,同时传送大量电话,如图3所示。

特定的手机只在属于它的时间空当发射。包络信号的基本频率是1/4.615 ms=217Hz。谐波频率为434Hz、651Hz等。如此频率是听得到的。如图4所示,为手机的包络信号。

 



2.2 EMI的结果
当手机与基站通讯,或两个手机彼此接近时,发射脉冲通过扩音器,扬声器,或头戴式耳机线传人音频通路。见图5。

结果是音频质量大幅降低。

2.3 EMI滤波器
EMI滤波器尽可能地接近EMI干扰的切入点,这样尽可能保证音频质量。如图6。

滤波器的选择应根据它的带宽,截止频率及阻带抑制特点。另一创建高质量声音的因素是总谐波失真度(THD)。不好的THD可毁坏其它极好的音频系统的声音质量。比较理想的是;EMI滤波器的THD值好于最弱的信号链。

具有代表性的特点:

  • 800-2480 MHz频率带的阻带衰减不小于-25 dB
  • 10-800 MHz频率带的阻带衰减不小于-20dB
  • MIC线不小于-70 dB(A)THD+N(0.03%),可提供高质量音频。


3 考虑电路板空间

手机集成了越来越多的多媒体功能,例如:GPS,MP3,FM,蓝牙,及DVB-H。这些功能均要求额外的电路板空间。设计者必须为ESD及EMI解决方案挤出空间。

 

 



4 三种解决方案的比较

市场中的一些解决方案并没有提供完善的方法。图7中有三种可能的解决方案。

4.1 离散解决方案
这种解决方案采用24个分立部件,组成ESD抑制器和EMI滤波器。此方案不是最优化。它工作的费用和可靠性受24个分立部件制约。

4.2 低温共烧陶瓷(LTCC)和变阻器解决方案
低温共烧陶瓷(LTCC)EMI滤波器可以很好地完成滤波需求。但是,变阻器具有高的箝位电压(最大VCL>100V)。因而没有提供最优化的灵敏亚微型芯片ESD保护。

4.3 集成被动和主动设备
这一技术将保护二极管和被动元件相结合,如集成电路硅芯片中的电阻和高密度电容。与前两个解决方案比较,IPAD解决方案的优点如下:

  • 可完成所有ESD抑制和EMI滤波器需求。
  • 可节省大量的电路板空间(大约78%)
  • 因使用天然硅设备,可提供更显著的可靠性和更低的运作成本。


5 结论

这篇文章介绍了手机音频界面中ESD和EMI的起因及潜在结果,并大致讲述了ESD抑制及EMI滤波器的需求。比较可用的集成ESD保护及EMI滤波器的 解决方案,可提供最好的ESD保护(最低的VCL)及最好的阻带衰减,还可提供其他有利条件,例如:更好的可靠性和更低的运作费用。

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