手機中ESD和EMI干擾

　　這篇文章簡(jiǎn)要地探討了手機音頻系統中ESD及EMI的起因及結果。接著(zhù)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，比較了當前三種解決方案。 

　　現代材料和技術(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。我們的穿著(zhù)和我們接觸的物品會(huì )引起靜電放電。數字技術(shù)已有電磁干擾。靜電放電會(huì )破壞手機里的電子部件。手機容易替換，但對用戶(hù)的傷害很大。手機電路設計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 )出現嘶嘶、噼啪、嗡嗡等聲音，聲音質(zhì)量很差。手機用戶(hù)無(wú)法忍受這樣的干擾。因此，必須設法過(guò)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(gè)人都經(jīng)歷過(guò)靜電流的影響。當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(huì )看到你手臂上的汗毛豎起來(lái)。這也是靜電效應。

　　當你打開(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(zhù)家里和工作地點(diǎn)擁有越來(lái)越多的電器設備，靜電已是一種持續的危險。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。

　　結論

　　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(jiàn)的來(lái)源。簡(jiǎn)單地插入耳機及擴音器，這也許意味著(zhù)手機將受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IEC61000-4-2條例鑒定其ESD。條例規定：手機可抵抗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，手機應能繼續工作，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)驗的比較情況。為了保護主芯片，在每一潛在的ESD入口點(diǎn)都必須添加額外的ESD保護。一般來(lái)說(shuō)，抑制ESD的設備生成可控輸出，稱(chēng)作箝位電壓。

　　圖2所示的是一次ESD事件中，ESD保護設備的輸出(箝位電壓)。

　　電磁干擾EMI——起因、結果及濾波器

　　起因

　　電流流動(dòng)，在導體周?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)附近其他導體產(chǎn)生信號。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(guò)Hi-Fi，使用獨立的播放器和擴音器，而同時(shí)它們底盤(pán)未連接在一起，你將聽(tīng)到嗡嗡聲。

　　思考當今電子世界，到處信號持續不斷地變化：

　　·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(xiàn)，導致信號失真。

　　·手機天線(xiàn)(TDMA脈沖)會(huì )發(fā)射射頻信號，此信號可被長(cháng)線(xiàn)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(shí)分多路傳輸，同時(shí)傳送大量電話(huà)，如圖3所示。

　　特定的手機只在屬于它的時(shí)間空當發(fā)射。包絡(luò )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(tīng)得到的。如圖4所示，為手機的包絡(luò )信號。

　　結果

　　當手機與基站通訊，或兩個(gè)手機彼此接近時(shí)，發(fā)射脈沖通過(guò)擴音器，揚聲器，或頭戴式耳機線(xiàn)傳人音頻通路。見(jiàn)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(diǎn)，這樣盡可能保證音頻質(zhì)量。如圖6。

　　濾波器的選擇應根據它的帶寬，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(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(xiàn)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(lái)越多的多媒體功能，例如：GPS，MP3，FM，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。

　　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。

　　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。它工作的費用和可靠性受24個(gè)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>100V)。因而沒(méi)有提供最優(yōu)化的靈敏亞微型芯片ESD保護。

　　集成被動(dòng)和主動(dòng)設備

　　這一技術(shù)將保護二極管和被動(dòng)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(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。

　　·可節省大量的電路板空間(大約78％)

　　·因使用天然硅設備，可提供更顯著(zhù)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。