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使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南

发布时间:2020-04-11 责任编辑:wenwei

【导读】TDK的贴片压敏电阻不仅可作为音频线路的ESD对策,同时也是能满足①大幅削减贴装面积 ②音频失真小 ③改善接收灵敏度 ④抑制噪音 等音频线路特有的各类要求的ESD保护元件。本次的推文就为智能手机音频线路提供最佳解决方案的各类优点进行说明。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
 
智能手机的扬声器或耳机的音频线路中,一般插入TVS二极管以及贴片压敏电阻(积层贴片压敏电阻)作为ESD(Electro-Static Discharge:静电放电)对策。此外,在音频线路的噪音对策方面,其不仅需要ESD等的抗扰度对策,同时也需要对智能手机内部电路配线放射的电磁噪音采取对策。
 
TDK的贴片压敏电阻不仅可作为音频线路的ESD对策,同时也是能满足①大幅削减贴装面积 ②音频失真小 ③改善接收灵敏度 ④抑制噪音 等音频线路特有的各类要求的ESD保护元件。本次的推文就为智能手机音频线路提供最佳解决方案的各类优点进行说明。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
音频线路解决方案用TDK贴片压敏电阻系列
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
 
智能手机等音频线路中ESD对策特别受到重视的理由
 
电子设备中作为人机接口的扬声器、麦克风或耳机是向电子设备输入或输出音频信号的应用。一般情况下,配置于电子设备外侧的情况较多,因此容易受到外来噪音的影响。而ESD(Electro-Static Discharge:静电放电)则是影响电子设备的代表性外来噪音的一种。
 
近年来,随着IC的低电压化等,ESD所导致的电子设备故障或错误工作已成为严重问题。尤其是耳机插接,由于会频发插拔针插头,因此在插入带电的针插头时会产生ESD,从而在设备内部进行气体放电的可能性很高,为此必须采取对策。
 
针对此类接口端子中ESD的试验方法,使用人体模型(HBM:Human Body Model),其主要考虑了人体中带电电荷向电子设备进行放电的情况。图1所示为IEC61000-4-2标准的静电抗扰度试验中所使用的人体模型。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
图1:静电抗扰度试验(IEC61000-4-2)的人体模型
 
推荐将TVS二极管替换为贴片压敏电阻的理由
 
用作ESD/浪涌保护的电子元件包括MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)、ESD抑制器、TVS二极管(齐纳二极管)、贴片压敏电阻等。
 
图2所示为智能手机音频线路电路方框图。在智能手机中,用于扬声器的功率放大器内使用有D类放大器等数码放大器。此外,耳机线,麦克风线是直接从音频编解码器中输出音频信号。为此,其中会插入保护元件作为扬声器线或耳机线的ESD对策。将作为ESD保护元件使用的TVS二极管替换为贴片压敏电阻可获得诸多优点。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
图2:智能手机音频线路中ESD保护元件的使用方法
 
虽然TVS二极管与贴片压敏电阻的ESD保护性能几乎相同,但将TVS二极管替换为贴片压敏电阻拥有诸多优点。主要为空间优点与成本优点,同时其对于噪音抑制也有效。这是因为贴片压敏电阻拥有较大静电容量,并且可发挥MLCC的功能。
 
首先,对最大可削减90%以上贴装面积的贴片压敏电阻所独有的空间优点进行说明。
 
优点1.最大可削减90%以上贴装面积
 
近年来,随着智能手机高性能化的快速发展,主板呈现极度拥挤状态,完全没有剩余空间,因此使用比以往更为小型的电子元件成为了趋势。
 
使用TVS二极管作为音频线路解决方案时,若将其作为ESD对策的同时还以除去噪音为目的,那么TVS二极管的静电容量则会过小,因此需要并联插入MLCC,由此则需要贴装2个元件的面积。而由于贴片压敏电阻静电容量大,因此可使用1个产品来替换TVS二极管和MLCC这2个产品。
 
图3中对组合了TVS二极管及MLCC的情况,与使用贴片压敏电阻的情况时的贴装面积进行了比较。元件尺寸分别设想如下,TVS二极管:1006形状(1.0×0.6mm),MLCC:0603(0.6×0.3mm)形状,贴片压敏电阻:0603形状。0603形状贴片压敏电阻可削减80%以上的贴装面积,因此拥有极大的空间节省效果。TDK量产有0402形状(0.4×0.2mm)的贴片压敏电阻,该产品可削减90%以上的贴装面积,从而能够为智能手机的进一步小型化与高性能化做出贡献。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
图3:TVS二极管+MLCC的2器件组合与贴片压敏电阻1器件的贴装面积比较
 
优点2.音频失真小
 
将ESD保护元件插入智能手机音频线路中后,会使音频信号发生失真,从而导致音频失真。此处以THD+N(总谐波失真+噪音)的数值表示。
 
图4所示为ESD保护元件的对输出-THD+N特性。未插入ESD保护元件时是音频失真最小的状态,以此作为标准值。插入TVS二极管后,在高输出领域中,THD+N大幅増加。而贴片压敏电阻则与未插入时的情况相同,未引起音频失真。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
图4:各ESD保护元件 THD+N测量结果
 
从这些结果来看,TVS二极管及贴片压敏电阻的电流-电压特性(IV曲线)会产生影响。TVS二极管的IV曲线中"急剧升高"及"有时拥有极性"是导致音频信号失真的原因所在。
 
由于贴片压敏电阻没有极性,因此IV曲线相比TVS二极管,其升高幅度较缓。因此,相比TVS二极管,贴片压敏电阻更适合用于抑制音频信号失真,保持高音质。
 
优点3.通过静电容量抑制噪音的效果
 
在智能手机的音频线路中,音频编解码器及D级放大器等会产生噪音,进而对内部天线造成干扰,导致接收灵敏度劣化。一般情况下会使用低通滤波器(LC滤波器)作为对策,但应尽可能从大范围静电容量产品线中选择最佳产品为宜。
 
表1所示为各类ESD保护元件所覆盖的静电容量范围。MLCC覆盖的静电容量范围较广,达到数pF~数µF,贴片压敏电阻为数pF~数百pF,TVS二极管为数pF~数10pF。音频线路配线放射出的电子噪音以数100MHz~数GHz的频带居多,若要提高这些频带的噪音衰减效果,静电容量为数pF~数100pF的产品更为有效。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
表1:各类ESD保护元件的静电容量产品线
 
0603形状(0.6×0.3mm)、1005形状(1.0×0.5mm)的TVS二极管静电容量以5~15pF左右居多,为构成目标低通滤波器,则需要像如图5所示,以与TVS二极管并联的形式插入MLCC。若不使用MLCC而只使用TVS二极管时,静电容量将会不充分,从而无法除去电磁噪音。
 
贴片压敏电阻中数10pF~数100pF的产品线对于数100MHz~数GHz的噪音拥有抑制效果。如图6所示,贴片压敏电阻的等效电路是由双向二极管与MLCC并列而成的。TDK的贴片压敏电阻采用积层结构,通过改变内部结构设计,可方便地调整静电容量。TDK拥有1005形状(EIA0402):650pF以下, 0603形状(EIA0201):330pF以下的大范围静电容量产品线,可从中选择符合抑制噪音所需频带的产品。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
图5:积层贴片压敏电阻的等效电路
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
图6:使用TVS二极管除去电磁噪音
 
优点4.改善接收灵敏度
 
图7所示为使用ESD保护元件时的接收灵敏度测量结果。
 
相比取下ESD保护元件时的状态(无保护元件),TVS二极管(静电容量:5pF)下的接收灵敏度发生了下降。若以与TVS二极管并列的方式插入MLCC(静电容量:100pF)后则可改善接收灵敏度。而贴片压敏电阻(静电容量:100pF、AVRM0603C6R8NT101N)只需1个器件便可改善接收灵敏度。
 
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图7:各ESD保护元件 智能手机接收灵敏度测量结果
 
从这些结果来看,根据ESD保护元件静电容量的传输特性(插入损失-频率特性)会产生影响。图8中ESD保护元件的传输特性方面,静电容量为100pF的贴片压敏电阻与MLCC拥有相同特性,而接近1GHz时,衰减将会变大。而TVS二极管的静电容量较小,仅为5pF,因此衰减领域在3GHz附近,而1GHz附近蜂窝带的接收灵敏度则无法改善。若需要使用TVS二极管解决方案改善接收灵敏度,则需要以并联方式插入静电容量为100pF的MLCC。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
图8:各ESD保护元件 传输特性(插入损失-频率特性)
 
优点5.ESD保护效果
 
ESD保护是贴片压敏电阻以及TVS二极管的基本性能。在使用了IEC61000-4-2人体模型(HBM:Human Body Model)的静电抗扰度试验中,作为ESD箝位波形的评估参数,规定升高部分的电压为峰值电压(Vpeak)、升高之后30~100ns的平均值为平均电压(Vave)。
 
图9所示为对静电抗扰度试验中ESD保护元件ESD箝位波形进行比较的图表。TVS二极管(5pF)的ESD保护性能方面,以并联方式插入MLCC(100pF)的情况与贴片压敏电阻相同。
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
图9:ESD保护元件的ESD箝位波形
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
 
TDK提供使用了贴片压敏电阻的最佳解决方案作为智能手机音频线路的ESD对策。尤其是将TVS二极管替换为贴片压敏电阻后,不仅实现了有效的ESD对策,同时也带来了空间优点、成本优点、噪音抑制等各种优点。
 
将TVS二极管替换为贴片压敏电阻的优点
 
● 可实现极佳的ESD保护对策。
● 可通过贴片压敏电阻1个产品,实现TVS二极管(ESD保护)与MLCC(噪音抑制)这2个产品的功能。
● 可从大范围静电容量产品线中选择符合抑制噪音所需频带的产品。
● 可有效衰减蜂窝带的噪音,并改善接收灵敏度。
● 音频失真指标THD+N与未插入元件时相同,从而可确保音频质量。 
 
使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南
 
 
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