TDK：使用貼片壓敏電阻的智能手機(jī)音頻線路解決方案指南
以下文章來源于TDK中國(guó)
智能手機(jī)的揚(yáng)聲器或耳機(jī)的音頻線路中，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(duì)策。此外，在音頻線路的噪音對(duì)策方面，其不僅需要ESD等的抗擾度對(duì)策，同時(shí)也需要對(duì)智能手機(jī)內(nèi)部電路配線放射的電磁噪音采取對(duì)策。
TDK的貼片壓敏電阻不僅可作為音頻線路的ESD對(duì)策，同時(shí)也是能滿足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 等音頻線路特有的各類要求的ESD保護(hù)元件。本次的推文就為智能手機(jī)音頻線路提供最佳解決方案的各類優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。
音頻線路解決方案用TDK貼片壓敏電阻系列
智能手機(jī)等音頻線路中ESD對(duì)策特別受到重視的理由
電子設(shè)備中作為人機(jī)接口的揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)或耳機(jī)是向電子設(shè)備輸入或輸出音頻信號(hào)的應(yīng)用。一般情況下，配置于電子設(shè)備外側(cè)的情況較多，因此容易受到外來噪音的影響。而ESD(Electro-Static Discharge：靜電放電)則是影響電子設(shè)備的代表性外來噪音的一種。
近年來，隨著IC的低電壓化等，ESD所導(dǎo)致的電子設(shè)備故障或錯(cuò)誤工作已成為嚴(yán)重問題。尤其是耳機(jī)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(shè)備內(nèi)部進(jìn)行氣體放電的可能性很高，為此必須采取對(duì)策。
針對(duì)此類接口端子中ESD的試驗(yàn)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(shè)備進(jìn)行放電的情況。圖1所示為IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)的靜電抗擾度試驗(yàn)中所使用的人體模型。
圖1：靜電抗擾度試驗(yàn)(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(hù)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(jī)音頻線路電路方框圖。在智能手機(jī)中，用于揚(yáng)聲器的功率放大器內(nèi)使用有D類放大器等數(shù)碼放大器。此外，耳機(jī)線，麥克風(fēng)線是直接從音頻編解碼器中輸出音頻信號(hào)。為此，其中會(huì)插入保護(hù)元件作為揚(yáng)聲器線或耳機(jī)線的ESD對(duì)策。將作為ESD保護(hù)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(jī)音頻線路中ESD保護(hù)元件的使用方法
雖然TVS二極管與貼片壓敏電阻的ESD保護(hù)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(duì)于噪音抑制也有效。這是因?yàn)橘N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(duì)最大可削減90%以上貼裝面積的貼片壓敏電阻所獨(dú)有的空間優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行說明。
優(yōu)點(diǎn)1．最大可削減90%以上貼裝面積
近年來，隨著智能手機(jī)高性能化的快速發(fā)展，主板呈現(xiàn)極度擁擠狀態(tài)，完全沒有剩余空間，因此使用比以往更為小型的電子元件成為了趨勢(shì)。
使用TVS二極管作為音頻線路解決方案時(shí)，若將其作為ESD對(duì)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)品來替換TVS二極管和MLCC這2個(gè)產(chǎn)品。
圖3中對(duì)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(shè)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(jié)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?yàn)橹悄苁謾C(jī)的進(jìn)一步小型化與高性能化做出貢獻(xiàn)。
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(hù)元件插入智能手機(jī)音頻線路中后，會(huì)使音頻信號(hào)發(fā)生失真，從而導(dǎo)致音頻失真。此處以THD+N(總諧波失真＋噪音)的數(shù)值表示。
圖4所示為ESD保護(hù)元件的對(duì)輸出-THD+N特性。未插入ESD保護(hù)元件時(shí)是音頻失真最小的狀態(tài)，以此作為標(biāo)準(zhǔn)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(hù)元件 THD＋N測(cè)量結(jié)果
從這些結(jié)果來看，TVS二極管及貼片壓敏電阻的電流-電壓特性(IV曲線)會(huì)產(chǎn)生影響。TVS二極管的IV曲線中"急劇升高"及"有時(shí)擁有極性"是導(dǎo)致音頻信號(hào)失真的原因所在。
由于貼片壓敏電阻沒有極性，因此IV曲線相比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(hào)失真，保持高音質(zhì)。
優(yōu)點(diǎn)3．通過靜電容量抑制噪音的效果
在智能手機(jī)的音頻線路中，音頻編解碼器及D級(jí)放大器等會(huì)產(chǎn)生噪音，進(jìn)而對(duì)內(nèi)部天線造成干擾，導(dǎo)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(duì)策，但應(yīng)盡可能從大范圍靜電容量產(chǎn)品線中選擇最佳產(chǎn)品為宜。
表1所示為各類ESD保護(hù)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(dá)到數(shù)pF～數(shù)µF，貼片壓敏電阻為數(shù)pF～數(shù)百pF，TVS二極管為數(shù)pF～數(shù)10pF。音頻線路配線放射出的電子噪音以數(shù)100MHz～數(shù)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(shù)pF～數(shù)100pF的產(chǎn)品更為有效。
表1：各類ESD保護(hù)元件的靜電容量產(chǎn)品線
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(gòu)成目標(biāo)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，從而無法除去電磁噪音。
貼片壓敏電阻中數(shù)10pF～數(shù)100pF的產(chǎn)品線對(duì)于數(shù)100MHz～數(shù)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(jié)構(gòu)，通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可方便地調(diào)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，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(hù)元件時(shí)的接收靈敏度測(cè)量結(jié)果。
相比取下ESD保護(hù)元件時(shí)的狀態(tài)(無保護(hù)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(hù)元件 智能手機(jī)接收靈敏度測(cè)量結(jié)果
從這些結(jié)果來看，根據(jù)ESD保護(hù)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(hù)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(hù)元件 傳輸特性(插入損失-頻率特性)
優(yōu)點(diǎn)5．ESD保護(hù)效果
ESD保護(hù)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(yàn)中，作為ESD箝位波形的評(píng)估參數(shù)，規(guī)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(duì)靜電抗擾度試驗(yàn)中ESD保護(hù)元件ESD箝位波形進(jìn)行比較的圖表。TVS二極管(5pF)的ESD保護(hù)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(hù)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(jī)音頻線路的ESD對(duì)策。尤其是將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻后，不僅實(shí)現(xiàn)了有效的ESD對(duì)策，同時(shí)也帶來了空間優(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(xiàn)極佳的ESD保護(hù)對(duì)策。
可通過貼片壓敏電阻1個(gè)產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)TVS二極管(ESD保護(hù))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(biāo)THD+N與未插入元件時(shí)相同，從而可確保音頻質(zhì)量。
