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悉數(shù)處理手機系統(tǒng)ESD和EMI干擾的經(jīng)典方法

發(fā)布時間:2014-11-12 責任編輯:sherryyu

【導讀】是不是經(jīng)歷過手機接聽電話出現(xiàn)嘶嘶、噼啪、嗡嗡等聲音,很是惱人!這是音頻電路的電磁干擾惹的禍。本文將介紹手機音頻界面中ESD和EMI的起因,并給出了比較可用的集成ESD保護及EMI濾波器的解決方案。
 
在音頻電路中如有電磁干擾(EMI),會出現(xiàn)嘶嘶、噼啪、嗡嗡等聲音,聲音質(zhì)量很差。手機用戶無法忍受這樣的干擾。因此,必須設法過濾音頻電路的電磁干擾。
 
靜電放電——起因、結果和抑制
 
起因
 
差不多每個人都經(jīng)歷過靜電流的影響。當我們還是史前石器時代的穴居人時,我們已在閃電中見到過它。當然,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的屏幕,你會看到你手臂上的汗毛豎起來。這也是靜電效應。
 
當你打開車門,從你的車中走出,你也許會感受到一陣電擊,它來自靜電釋放。隨著家里和工作地點擁有越來越多的電器設備,靜電已是一種持續(xù)的危險。制造或維修電氣設備的人們要保護自己和工作用的設備,他們將自己與設備連接,用以避免電器設備靜電放電造成的傷害。
受ESD影響,氧化物沖進一個小孔
圖1 受ESD影響,氧化物沖進一個小孔
 
結論
 
我們能看到閃電打擊建筑物和樹,它具有破壞力。如果電子電路的ESD保護不是最優(yōu),即使是很少的放電,也會破壞靈敏的電子電路,這是人們已探測到的。手機具有一定的ESD保護。音頻電路的外部連接是ESD最常見的來源。簡單地插入耳機及擴音器,這也許意味著手機將受ESD的影響。如圖1所示,電子部件受ESD影響時,會發(fā)生什么?會產(chǎn)生一個細微的孔,氧化物將侵擾部件。
 
抑制
 
與所有的商品相同,手機必須根據(jù)IEC61000-4-2條例鑒定其ESD。條例規(guī)定:手機可抵抗15 kV空氣放電(通過330 Ω/150 pF),即大約不小于1毫微秒穿過45 A電流。在這種情況下,手機應能繼續(xù)工作,沒有被破壞。上述是一個高能量脈沖與ESD人體模型實驗的比較情況。為了保護主芯片,在每一潛在的ESD入口點都必須添加額外的ESD保護。一般來說,抑制ESD的設備生成可控輸出,稱作箝位電壓。
所示的是一次ESD事件中,ESD保護設備的輸出(箝位電壓)
圖2所示的是一次ESD事件中,ESD保護設備的輸出(箝位電壓)。
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電磁干擾EMI——起因、結果及濾波器
 
起因
 
電流流動,在導體周圍產(chǎn)生磁場。電流變化,磁場會隨之變化。所以,簡單地開關電流,即會產(chǎn)生磁場的變化。磁場的變化可引發(fā)附近其他導體產(chǎn)生信號。上述是基本的電學原理。
 
家庭用電和工業(yè)用電均使用50Hz或60Hz交流電。這是聽得見的頻率范圍。電流持續(xù)不斷地變化,附近相同頻率的導體將產(chǎn)生信號。如果你使用過Hi-Fi,使用獨立的播放器和擴音器,而同時它們底盤未連接在一起,你將聽到嗡嗡聲。
 
思考當今電子世界,到處信號持續(xù)不斷地變化:
 
1.音頻的輸入/輸出能產(chǎn)生輻射及傳導EMI,然后發(fā)射更高頻率的射頻線,導致信號失真。
 
2.手機天線(TDMA脈沖)會發(fā)射射頻信號,此信號可被長線頭戴式耳機接收,導致音頻信號通路中EMI噪音。
 
GSM(全球通)手機標準使用頻分多路傳輸和時分多路傳輸,同時傳送大量電話,如圖3所示。
 
特定的手機只在屬于它的時間空當發(fā)射。包絡信號的基本頻率是1/4.615 ms = 217Hz。諧波頻率為434Hz、651Hz等。如此頻率是聽得到的。如圖4所示,為手機的包絡信號。
 
結果
 
當手機與基站通訊,或兩個手機彼此接近時,發(fā)射脈沖通過擴音器,揚聲器,或頭戴式耳機線傳入音頻通路。見圖5,結果是音頻質(zhì)量大幅降低。
濾波器
 
EMI濾波器盡可能地接近EMI干擾的切入點,這樣盡可能保證音頻質(zhì)量。如圖6。
濾波器的選擇應根據(jù)它的帶寬,截止頻率及阻帶抑制特點。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值好于最弱的信號鏈。
 
具有代表性的特點:
 
1.800-2480 MHz頻率帶的阻帶衰減不小于-25 dB;
2.10-800 MHz頻率帶的阻帶衰減不小于-20dB;
3.MIC線不小于-70 dB (A) THD+N (0.03%),可提供高質(zhì)量音頻。
 
考慮電路板空間,手機集成了越來越多的多媒體功能,例如:GPS,MP3,F(xiàn)M,藍牙,及DVB-H。這些功能均要求額外的電路板空間。設計者必須為ESD及EMI解決方案擠出空間。
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三種解決方案的比較:
 
市場中的一些解決方案并沒有提供完善的方法。圖7中有三種可能的解決方案。
離散解決方案
 
這種解決方案采用24個分立部件,組成ESD抑制器和EMI濾波器。此方案不是最優(yōu)化。它工作的費用和可靠性受24個分立部件制約。
 
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 > 100 V),因而沒有提供最優(yōu)化的靈敏亞微型芯片ESD保護。

集成被動和主動設備
 
這一技術將保護二極管和被動元件相結合,如集成電路硅芯片中的電阻和高密度電容。與前兩個解決方案比較,IPAD解決方案的優(yōu)點如下:
 
1.可完成所有ESD抑制和EMI濾波器需求。
 
2.可節(jié)省大量的電路板空間(大約78%)。
 
3. 因使用天然硅設備,可提供更顯著的可靠性和更低的運作成本。
 
結論
 
這篇文章介紹了手機音頻界面中ESD和EMI的起因及潛在結果,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保護及EMI濾波器的解決方案,可提供最好的ESD保護(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作費用。這些是ESD威脅距離設備約一米測試的。
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