電磁干擾EMI——起因、結(jié)果及濾波器
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悉數(shù)處理手機(jī)系統(tǒng)ESD和EMI干擾的經(jīng)典方法
發(fā)布時(shí)間:2014-11-12 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】是不是經(jīng)歷過手機(jī)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(jī)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(hù)及EMI濾波器的解決方案。
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)用戶無法忍受這樣的干擾。因此,必須設(shè)法過濾音頻電路的電磁干擾。
靜電放電——起因、結(jié)果和抑制
起因
差不多每個(gè)人都經(jīng)歷過靜電流的影響。當(dāng)我們還是史前石器時(shí)代的穴居人時(shí),我們已在閃電中見到過它。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。這也是靜電效應(yīng)。
當(dāng)你打開車門,從你的車中走出,你也許會(huì)感受到一陣電擊,它來自靜電釋放。隨著家里和工作地點(diǎn)擁有越來越多的電器設(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。
圖1 受ESD影響,氧化物沖進(jìn)一個(gè)小孔
結(jié)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(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最常見的來源。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。
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(jī)應(yīng)能繼續(xù)工作,沒有被破壞。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)。一般來說,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)。
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起因
電流流動(dòng),在導(dǎo)體周圍產(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(dǎo)體將產(chǎn)生信號(hào)。如果你使用過Hi-Fi,使用獨(dú)立的播放器和擴(kuò)音器,而同時(shí)它們底盤未連接在一起,你將聽到嗡嗡聲。
思考當(dāng)今電子世界,到處信號(hào)持續(xù)不斷地變化:
1.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。
2.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。如此頻率是聽得到的。如圖4所示,為手機(jī)的包絡(luò)信號(hào)。
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)射脈沖通過擴(kuò)音器,揚(yáng)聲器,或頭戴式耳機(jī)線傳入音頻通路。見圖5,結(jié)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(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):
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(jī)集成了越來越多的多媒體功能,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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三種解決方案的比較:
市場(chǎng)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(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。
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(hù)。
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:
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(shè)備,可提供更顯著的可靠性和更低的運(yùn)作成本。
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。這些是ESD威脅距離設(shè)備約一米測(cè)試的。
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