W tym artykule pokrótce omówiono przyczyny i konsekwencje ESD i EMI w mobilnych systemach audio. Następnie omówiono użycie ESD tłumiki i EMI filtry łagodzące te zagrożenia. Na koniec porównuje trzy aktualne rozwiązania. Nowoczesne materiały i technologie doprowadziły do ​​częstego występowania wyładowania elektrostatyczne (ESD) i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), które stwarzają znaczne ryzyko. Nasza odzież i przedmioty, z którymi mamy kontakt, mogą generować elektryczność statyczną. Technologia cyfrowa również generuje interferencja elektromagnetyczna. ESD może uszkodzić elementy elektroniczne w telefonach komórkowych. Chociaż telefony można łatwo wymienić, mogą wyrządzić użytkownikom znaczne szkody. Projektanci obwodów telefonicznych muszą zapewnić podjęcie niezbędnych środków w celu wyeliminowania Uszkodzenie ESD.

Zakłócenia elektromagnetyczne w obwodach audio mogą powodować słabą jakość dźwięku i słyszalne problemy, takie jak syczenie, trzaski i buczenie. Użytkownicy telefonów komórkowych nie tolerują takich zakłóceń. Dlatego należy podjąć wysiłki w celu odfiltrowania zakłóceń elektromagnetycznych w obwodach audio.

1. Wyładowania elektrostatyczne (ESD): przyczyny, konsekwencje i tłumienie

1.1 Przyczyny

Wszyscy doświadczyliśmy skutków elektryczności statycznej. Byliśmy tego świadkami od czasów prehistorycznych, kiedy mieszkaliśmy w jaskiniach. Dziś pozostaje poważnym zagrożeniem i jest wszechobecny. Czesając włosy plastikowym grzebieniem możemy zaobserwować powstawanie ładunków elektrostatycznych. Jeśli zbliżysz rękę do ekranu telewizora, zobaczysz, że włosy na ramieniu stają dęba. Jest to również przykład efektu elektryczności statycznej.

Kiedy otwierasz drzwi samochodu i wychodzisz, możesz doświadczyć wstrząsu spowodowanego wyładowaniem statycznym. W miarę jak domy i miejsca pracy są coraz bardziej zapełnione urządzeniami elektrycznymi, elektryczność statyczna staje się stałym zagrożeniem. Osoby zajmujące się produkcją lub naprawą sprzętu elektrycznego chronią siebie i swój sprzęt roboczy poprzez uziemienie, zapobiegając obrażeniom spowodowanym wyładowaniami statycznymi ze sprzętu elektrycznego.

Konsekwencje 1.2

Widzimy, jak piorun uderza w budynki i drzewa, demonstrując swoją niszczycielską moc. Nawet małe wyładowania mogą uszkodzić wrażliwe obwody elektroniczne, jeśli ochrona ESD nie jest optymalna. Telefony komórkowe mają określony poziom ochrony ESD. Zewnętrzne połączenia z obwodami audio są najczęstszym źródłem wyładowań elektrostatycznych. Samo podłączenie słuchawek lub głośników może potencjalnie narazić telefon na wyładowania elektrostatyczne.

1.3 Tłumienie

Podobnie jak wszystkie produkty, telefony komórkowe muszą zostać przetestowane pod kątem ESD według IEC 61000-4-2 przepisy prawne. Rozporządzenie określa, że ​​telefon powinien wytrzymać wyładowanie powietrzem pod napięciem 15 kV (przez sieć 330 Ω/150 pF), co w przybliżeniu odpowiada prądowi o natężeniu 45 A trwającym co najmniej 1 nanosekundę. W tym scenariuszu telefon powinien nadal działać bez uszkodzeń. Porównanie to odnosi się do impulsu o wysokiej energii i ESD eksperyment z modelem ludzkiego ciała. W każdym potencjalnym punkcie wejścia ESD należy dodać dodatkową ochronę ESD, aby chronić główny chip. Ogólnie rzecz biorąc, urządzenia do tłumienia ESD generują kontrolowane wyjścia zwane napięciami zaciskowymi.

Poniższy rysunek przedstawia moc wyjściową (napięcie cęgów) urządzenia zabezpieczającego ESD w przypadku zdarzenia ESD.

2. Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) – przyczyny, skutki i filtry

2.1 Przyczyny

Kiedy przepływa prąd, wokół przewodnika wytwarza się pole magnetyczne. Kiedy zmienia się prąd, zmienia się również pole magnetyczne. Dlatego zwykłe włączenie/wyłączenie prądu może spowodować zmiany w polu magnetycznym. Te zmiany w polu magnetycznym mogą indukować sygnały w pobliskich przewodnikach. To są podstawowe zasady elektryczności.

Zarówno energia elektryczna do użytku domowego, jak i przemysłowego wykorzystuje prąd przemienny o częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz. Częstotliwości te mieszczą się w zakresie słyszalnym. Ponieważ prąd stale się zmienia, pobliskie przewodniki o tej samej częstotliwości mogą wytwarzać sygnały. Jeśli kiedykolwiek korzystałeś z systemu Hi-Fi z oddzielnymi odtwarzaczami i wzmacniaczami, a ich obudowy nie są ze sobą połączone, możesz usłyszeć buczenie.

Rozważmy teraz stale zmieniające się sygnały w dzisiejszym elektronicznym świecie:
– Wejście/wyjście urządzeń audio może generować zakłócenia elektromagnetyczne poprzez promieniowanie i przewodzenie, które następnie emitują sygnały o częstotliwości radiowej o wyższej częstotliwości, co prowadzi do zniekształcenia sygnału.
– Anteny telefonów komórkowych (impulsy TDMA) emitują sygnały o częstotliwości radiowej, które mogą być odbierane przez słuchawki z długim przewodem, powodując zakłócenia EMI w ścieżce sygnału audio.
GSM (Global System for Mobile Communications) wykorzystuje wielokrotny dostęp z podziałem częstotliwości i wielokrotny dostęp z podziałem czasu do jednoczesnej transmisji wielu połączeń telefonicznych, jak pokazano na poniższym schemacie.

Określone telefony komórkowe uruchamiają się tylko w odpowiednim momencie. Podstawowa częstotliwość sygnału pakietu wynosi 1/4.615 ms = 217 Hz. Częstotliwość harmonii wynosi 434 Hz, 651 Hz itd. Tę częstotliwość można usłyszeć. Jak pokazano na poniższym rysunku, sygnał pakietu telefonu komórkowego.

Wynik 2.2

Kiedy telefon komórkowy komunikuje się ze stacją bazową lub oba telefony komórkowe znajdują się blisko siebie, impuls nadawczy przechodzi przez kanał audio przez wzmacniacz, głośnik lub przewód zestawu słuchawkowego. W rezultacie jakość dźwięku znacznie spadła.

Filtry 2.3

Aby w jak największym stopniu zapewnić jakość dźwięku, filtry EMI powinny znajdować się jak najbliżej miejsca, w którym pojawiają się zakłócenia EMI.
Wybór filtrów powinien opierać się na ich szerokości pasma, częstotliwości odcięcia i charakterystyce tłumienia pasma zaporowego. Kolejnym czynnikiem zapewniającym wysoką jakość dźwięku jest całkowite zniekształcenie harmoniczne (THD). Słabe THD może zniszczyć jakość dźwięku w skądinąd doskonałym systemie audio. W idealnym przypadku wartość THD filtrów EMI powinna być lepsza niż wartość najsłabszego łańcucha sygnałowego.
Reprezentatywne cechy obejmują:
• Tłumienie pasma zaporowego co najmniej -25 dB dla zakresu częstotliwości 800-2480 MHz
• Tłumienie pasma zaporowego co najmniej -20 dB dla zakresu częstotliwości 10-800 MHz
• Linia MIC o współczynniku THD+N (0.03%) nie mniejszym niż -70 dB(A), zapewniająca dźwięk wysokiej jakości.
Weź pod uwagę miejsce na płytce drukowanej
Telefony komórkowe wyposażone są w coraz więcej funkcji multimedialnych, takich jak GPS, MP3, FM, Bluetooth i DVB-H. Funkcje te wymagają dodatkowej przestrzeni na płytce drukowanej. Projektanci muszą zapewnić miejsce na rozwiązania ESD i EMI.

3. Porównanie trzech rozwiązań

3.1 Rozwiązanie dyskretne

Rozwiązanie to wykorzystuje 24 dyskretne komponenty tworzące tłumik ESD i filtr EMI. Jednak to rozwiązanie nie jest zoptymalizowane, ponieważ koszt i niezawodność są ograniczone przez 24 oddzielne komponenty.

3.2 Rozwiązanie ceramiczne współspalane w niskiej temperaturze (LTCC) i warystor

Filtr LTCC EMI może skutecznie spełniać wymagania filtrowania. Jednakże warystor charakteryzuje się wysokim napięciem zaciskania (maksymalne VCL > 100 V), co nie zapewnia optymalnej ochrony wrażliwych submikronowych chipów ESD.

3.3 Zintegrowane urządzenia pasywne i aktywne

Technologia ta łączy diody zabezpieczające i elementy pasywne, takie jak rezystory i kondensatory o dużej gęstości, w układach scalonych, takich jak chipy krzemowe. W porównaniu z dwoma poprzednimi rozwiązaniami zalety rozwiązania IPAD są następujące:
• Może spełnić wszystkie wymagania dotyczące tłumienia ESD i filtrowania EMI.
• Pozwala zaoszczędzić znaczną ilość miejsca na płytce drukowanej (około 78%).
• Dzięki zastosowaniu urządzeń z naturalnego krzemu zapewnia większą niezawodność i niższe koszty eksploatacji.

4. Wniosek

W artykule przedstawiono przyczyny i potencjalne skutki ESD i EMI w mobilnych interfejsach audio oraz pokrótce omówiono wymagania dotyczące tłumienia ESD i filtrowania EMI.

Porównując dostępne zintegrowane rozwiązania w zakresie ochrony ESD i filtrowania EMI, może zapewnić najlepszą ochronę ESD (najniższy VCL) i najlepsze tłumienie pasma zaporowego, a także inne korzystne warunki, takie jak zwiększona niezawodność i niższe koszty operacyjne.

Tagi:ESD61000-2