智能手機的揚聲器或耳機的音頻線(xiàn)路中，一般插入TVS二極管以及貼片壓敏電阻(積層貼片壓敏電阻)作為ESD(Electro-Static Discharge：靜電放電)對策。此外，在音頻線(xiàn)路的噪音對策方面，其不僅需要ESD等的抗擾度對策，同時(shí)也需要對智能手機內部電路配線(xiàn)放射的電磁噪音采取對策。

 

TDK的貼片壓敏電阻不僅可作為音頻線(xiàn)路的ESD對策，同時(shí)也是能滿(mǎn)足①大幅削減貼裝面積 ②音頻失真小 ③改善接收靈敏度 ④抑制噪音 等音頻線(xiàn)路特有的各類(lèi)要求的ESD保護元件。本次的推文就為智能手機音頻線(xiàn)路提供最佳解決方案的各類(lèi)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

 

音頻線(xiàn)路解決方案用TDK貼片壓敏電阻系列

 

 

智能手機等音頻線(xiàn)路中ESD對策特別受到重視的理由

 

電子設備中作為人機接口的揚聲器、麥克風(fēng)或耳機是向電子設備輸入或輸出音頻信號的應用。一般情況下，配置于電子設備外側的情況較多，因此容易受到外來(lái)噪音的影響。而ESD(Electro-Static Discharge：靜電放電)則是影響電子設備的代表性外來(lái)噪音的一種。

 

近年來(lái)，隨著(zhù)IC的低電壓化等，ESD所導致的電子設備故障或錯誤工作已成為嚴重問(wèn)題。尤其是耳機插接，由于會(huì )頻發(fā)插拔針插頭，因此在插入帶電的針插頭時(shí)會(huì )產(chǎn)生ESD，從而在設備內部進(jìn)行氣體放電的可能性很高，為此必須采取對策。

 

針對此類(lèi)接口端子中ESD的試驗方法，使用人體模型(HBM：Human Body Model)，其主要考慮了人體中帶電電荷向電子設備進(jìn)行放電的情況。圖1所示為IEC61000-4-2標準的靜電抗擾度試驗中所使用的人體模型。

 

圖1：靜電抗擾度試驗(IEC61000-4-2)的人體模型

 

推薦將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻的理由

 

用作ESD/浪涌保護的電子元件包括MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)、ESD抑制器、TVS二極管(齊納二極管)、貼片壓敏電阻等。

 

圖2所示為智能手機音頻線(xiàn)路電路方框圖。在智能手機中，用于揚聲器的功率放大器內使用有D類(lèi)放大器等數碼放大器。此外，耳機線(xiàn)，麥克風(fēng)線(xiàn)是直接從音頻編解碼器中輸出音頻信號。為此，其中會(huì )插入保護元件作為揚聲器線(xiàn)或耳機線(xiàn)的ESD對策。將作為ESD保護元件使用的TVS二極管替換為貼片壓敏電阻可獲得諸多優(yōu)點(diǎn)。

 

圖2：智能手機音頻線(xiàn)路中ESD保護元件的使用方法

 

雖然TVS二極管與貼片壓敏電阻的ESD保護性能幾乎相同，但將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻擁有諸多優(yōu)點(diǎn)。主要為空間優(yōu)點(diǎn)與成本優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其對于噪音抑制也有效。這是因為貼片壓敏電阻擁有較大靜電容量，并且可發(fā)揮MLCC的功能。

 

首先，對最大可削減90%以上貼裝面積的貼片壓敏電阻所獨有的空間優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

 

優(yōu)點(diǎn)1．最大可削減90%以上貼裝面積

 

近年來(lái)，隨著(zhù)智能手機高性能化的快速發(fā)展，主板呈現極度擁擠狀態(tài)，完全沒(méi)有剩余空間，因此使用比以往更為小型的電子元件成為了趨勢。

 

使用TVS二極管作為音頻線(xiàn)路解決方案時(shí)，若將其作為ESD對策的同時(shí)還以除去噪音為目的，那么TVS二極管的靜電容量則會(huì )過(guò)小，因此需要并聯(lián)插入MLCC，由此則需要貼裝2個(gè)元件的面積。而由于貼片壓敏電阻靜電容量大，因此可使用1個(gè)產(chǎn)品來(lái)替換TVS二極管和MLCC這2個(gè)產(chǎn)品。

 

圖3中對組合了TVS二極管及MLCC的情況，與使用貼片壓敏電阻的情況時(shí)的貼裝面積進(jìn)行了比較。元件尺寸分別設想如下，TVS二極管：1006形狀(1.0×0.6mm)，MLCC：0603(0.6×0.3mm)形狀，貼片壓敏電阻：0603形狀。0603形狀貼片壓敏電阻可削減80%以上的貼裝面積，因此擁有極大的空間節省效果。TDK量產(chǎn)有0402形狀(0.4×0.2mm)的貼片壓敏電阻，該產(chǎn)品可削減90%以上的貼裝面積，從而能夠為智能手機的進(jìn)一步小型化與高性能化做出貢獻。

 

圖3：TVS二極管＋MLCC的2器件組合與貼片壓敏電阻1器件的貼裝面積比較

 

優(yōu)點(diǎn)2．音頻失真小

 

將ESD保護元件插入智能手機音頻線(xiàn)路中后，會(huì )使音頻信號發(fā)生失真，從而導致音頻失真。此處以THD+N(總諧波失真＋噪音)的數值表示。

 

圖4所示為ESD保護元件的對輸出-THD+N特性。未插入ESD保護元件時(shí)是音頻失真最小的狀態(tài)，以此作為標準值。插入TVS二極管后，在高輸出領(lǐng)域中，THD+N大幅増加。而貼片壓敏電阻則與未插入時(shí)的情況相同，未引起音頻失真。

 

圖4：各ESD保護元件 THD＋N測量結果

 

從這些結果來(lái)看，TVS二極管及貼片壓敏電阻的電流-電壓特性(IV曲線(xiàn))會(huì )產(chǎn)生影響。TVS二極管的IV曲線(xiàn)中"急劇升高"及"有時(shí)擁有極性"是導致音頻信號失真的原因所在。

 

由于貼片壓敏電阻沒(méi)有極性，因此IV曲線(xiàn)相比TVS二極管，其升高幅度較緩。因此，相比TVS二極管，貼片壓敏電阻更適合用于抑制音頻信號失真，保持高音質(zhì)。

 

優(yōu)點(diǎn)3．通過(guò)靜電容量抑制噪音的效果

 

在智能手機的音頻線(xiàn)路中，音頻編解碼器及D級放大器等會(huì )產(chǎn)生噪音，進(jìn)而對內部天線(xiàn)造成干擾，導致接收靈敏度劣化。一般情況下會(huì )使用低通濾波器(LC濾波器)作為對策，但應盡可能從大范圍靜電容量產(chǎn)品線(xiàn)中選擇最佳產(chǎn)品為宜。

 

表1所示為各類(lèi)ESD保護元件所覆蓋的靜電容量范圍。MLCC覆蓋的靜電容量范圍較廣，達到數pF～數µF，貼片壓敏電阻為數pF～數百pF，TVS二極管為數pF～數10pF。音頻線(xiàn)路配線(xiàn)放射出的電子噪音以數100MHz～數GHz的頻帶居多，若要提高這些頻帶的噪音衰減效果，靜電容量為數pF～數100pF的產(chǎn)品更為有效。

 

表1：各類(lèi)ESD保護元件的靜電容量產(chǎn)品線(xiàn)

 

0603形狀(0.6×0.3mm)、1005形狀(1.0×0.5mm)的TVS二極管靜電容量以5～15pF左右居多，為構成目標低通濾波器，則需要像如圖5所示，以與TVS二極管并聯(lián)的形式插入MLCC。若不使用MLCC而只使用TVS二極管時(shí)，靜電容量將會(huì )不充分，從而無(wú)法除去電磁噪音。

 

貼片壓敏電阻中數10pF～數100pF的產(chǎn)品線(xiàn)對于數100MHz～數GHz的噪音擁有抑制效果。如圖6所示，貼片壓敏電阻的等效電路是由雙向二極管與MLCC并列而成的。TDK的貼片壓敏電阻采用積層結構，通過(guò)改變內部結構設計，可方便地調整靜電容量。TDK擁有1005形狀(EIA0402)：650pF以下, 0603形狀(EIA0201)：330pF以下的大范圍靜電容量產(chǎn)品線(xiàn)，可從中選擇符合抑制噪音所需頻帶的產(chǎn)品。

 

圖5：積層貼片壓敏電阻的等效電路

 

圖6：使用TVS二極管除去電磁噪音

 

優(yōu)點(diǎn)4．改善接收靈敏度

 

圖7所示為使用ESD保護元件時(shí)的接收靈敏度測量結果。

 

相比取下ESD保護元件時(shí)的狀態(tài)(無(wú)保護元件)，TVS二極管(靜電容量:5pF)下的接收靈敏度發(fā)生了下降。若以與TVS二極管并列的方式插入MLCC(靜電容量：100pF)后則可改善接收靈敏度。而貼片壓敏電阻(靜電容量：100pF、AVRM0603C6R8NT101N)只需1個(gè)器件便可改善接收靈敏度。

 

圖7：各ESD保護元件 智能手機接收靈敏度測量結果

 

從這些結果來(lái)看，根據ESD保護元件靜電容量的傳輸特性(插入損失-頻率特性)會(huì )產(chǎn)生影響。圖8中ESD保護元件的傳輸特性方面，靜電容量為100pF的貼片壓敏電阻與MLCC擁有相同特性，而接近1GHz時(shí)，衰減將會(huì )變大。而TVS二極管的靜電容量較小，僅為5pF，因此衰減領(lǐng)域在3GHz附近，而1GHz附近蜂窩帶的接收靈敏度則無(wú)法改善。若需要使用TVS二極管解決方案改善接收靈敏度，則需要以并聯(lián)方式插入靜電容量為100pF的MLCC。

 

圖8：各ESD保護元件 傳輸特性(插入損失-頻率特性)

 

優(yōu)點(diǎn)5．ESD保護效果

 

ESD保護是貼片壓敏電阻以及TVS二極管的基本性能。在使用了IEC61000-4-2人體模型(HBM：Human Body Model)的靜電抗擾度試驗中，作為ESD箝位波形的評估參數，規定升高部分的電壓為峰值電壓(Vpeak)、升高之后30～100ns的平均值為平均電壓(Vave)。

 

圖9所示為對靜電抗擾度試驗中ESD保護元件ESD箝位波形進(jìn)行比較的圖表。TVS二極管(5pF)的ESD保護性能方面，以并聯(lián)方式插入MLCC(100pF)的情況與貼片壓敏電阻相同。

 

圖9：ESD保護元件的ESD箝位波形

 

 

TDK提供使用了貼片壓敏電阻的最佳解決方案作為智能手機音頻線(xiàn)路的ESD對策。尤其是將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻后，不僅實(shí)現了有效的ESD對策，同時(shí)也帶來(lái)了空間優(yōu)點(diǎn)、成本優(yōu)點(diǎn)、噪音抑制等各種優(yōu)點(diǎn)。

 

將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻的優(yōu)點(diǎn)

 

● 可實(shí)現極佳的ESD保護對策。

● 可通過(guò)貼片壓敏電阻1個(gè)產(chǎn)品，實(shí)現TVS二極管(ESD保護)與MLCC(噪音抑制)這2個(gè)產(chǎn)品的功能。

● 可從大范圍靜電容量產(chǎn)品線(xiàn)中選擇符合抑制噪音所需頻帶的產(chǎn)品。

● 可有效衰減蜂窩帶的噪音，并改善接收靈敏度。

● 音頻失真指標THD+N與未插入元件時(shí)相同，從而可確保音頻質(zhì)量。 

 

 

 

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