In diesem Artikel werden kurz die Ursachen und Folgen untersucht ESD und EMI in mobilen Audiosystemen. Anschließend wird die Verwendung von besprochen ESD Suppressoren und EMI Filter, um diese Bedrohungen zu mindern. Abschließend werden drei aktuelle Lösungen verglichen. Moderne Materialien und Technologien haben dazu geführt, dass häufig Folgendes auftritt Elektrostatische Entladung (ESD) und elektromagnetische Interferenz (EMI), die erhebliche Risiken bergen. Unsere Kleidung und die Gegenstände, mit denen wir in Kontakt kommen, können statische Elektrizität erzeugen. Digitale Technologie generiert auch Elektromagnetische Interferenz. ESD kann elektronische Komponenten in Mobiltelefonen beschädigen. Obwohl Telefone leicht austauschbar sind, können sie den Benutzern erheblichen Schaden zufügen. Entwickler von Telefonschaltungen müssen sicherstellen, dass die erforderlichen Maßnahmen zur Beseitigung ergriffen werden ESD-Schaden.

EMI in Audioschaltkreisen kann zu einer schlechten Klangqualität mit hörbaren Problemen wie Zischen, Knallen und Brummen führen. Mobilfunknutzer können solche Störungen nicht tolerieren. Daher müssen Anstrengungen unternommen werden, um EMI in Audioschaltkreisen herauszufiltern.

1. Elektrostatische Entladung (ESD): Ursachen, Folgen und Unterdrückung

1.1 Gründe

Wir alle haben die Auswirkungen statischer Elektrizität erlebt. Wir haben es seit unserer prähistorischen Zeit als Höhlenbewohner in Blitzen gesehen. Es stellt auch heute noch eine erhebliche Bedrohung dar und ist allgegenwärtig. Beim Kämmen unserer Haare mit einem Kunststoffkamm können wir die Entstehung statischer Aufladungen beobachten. Wenn Sie Ihren Arm in die Nähe eines Fernsehbildschirms bringen, können Sie sehen, wie sich die Haare auf Ihrem Arm aufstellen. Dies ist auch ein Beispiel für den Effekt statischer Elektrizität.

Wenn Sie eine Autotür öffnen und aussteigen, können Sie einen Stromschlag verspüren, der durch statische Entladung entsteht. Da Haushalte und Arbeitsplätze zunehmend mit Elektrogeräten gefüllt sind, wird statische Elektrizität zu einer ständigen Gefahr. Personen, die an der Herstellung oder Reparatur elektrischer Geräte beteiligt sind, schützen sich und ihre Arbeitsausrüstung durch Erdung und verhindern so Verletzungen durch statische Entladungen elektrischer Geräte.

1.2-Konsequenzen

Wir können sehen, wie der Blitz in Gebäude und Bäume einschlägt und seine zerstörerische Kraft demonstriert. Selbst kleine Entladungen können empfindliche elektronische Schaltkreise beschädigen, wenn der ESD-Schutz nicht optimal ist. Mobiltelefone verfügen über einen gewissen ESD-Schutz. Externe Verbindungen zu Audioschaltkreisen sind die häufigste ESD-Quelle. Durch einfaches Anschließen von Kopfhörern oder Lautsprechern kann das Telefon möglicherweise ESD ausgesetzt werden.

1.3 Unterdrückung

Wie alle Produkte müssen auch Mobiltelefone getestet werden ESD nach IEC 61000-4-2 Vorschriften. Die Verordnung legt fest, dass ein Telefon einer Luftentladung von 15 kV (durch ein 330 Ω/150 pF-Netzwerk) standhalten muss, was ungefähr einem Strom von 45 A entspricht, der mindestens 1 Nanosekunde anhält. In diesem Szenario sollte das Telefon ohne Beschädigung weiter funktionieren. Dieser Vergleich bezieht sich auf einen hochenergetischen Puls und den ESD Modellexperiment am menschlichen Körper. An jedem potenziellen ESD-Eintrittspunkt muss zusätzlicher ESD-Schutz hinzugefügt werden, um den Hauptchip zu schützen. Im Allgemeinen erzeugen Geräte zur ESD-Unterdrückung steuerbare Ausgänge, sogenannte Klemmspannungen.

Die folgende Abbildung zeigt den Ausgang (Klemmspannung) des ESD-Schutzgeräts bei einem ESD-Ereignis.

2. Elektromagnetische Interferenz (EMI) – Ursachen, Auswirkungen und Filter

2.1 Gründe

Wenn Strom fließt, entsteht um einen Leiter herum ein Magnetfeld. Wenn sich der Strom ändert, ändert sich auch das Magnetfeld. Daher kann allein das Ein-/Ausschalten des Stroms zu Veränderungen im Magnetfeld führen. Diese Änderungen im Magnetfeld können Signale in nahegelegenen Leitern induzieren. Dies sind die Grundprinzipien der Elektrizität.

Sowohl Haushalts- als auch Industriestrom verwenden Wechselstrom mit Frequenzen von 50 Hz oder 60 Hz. Diese Frequenzen liegen im hörbaren Bereich. Da sich der Strom ständig ändert, können benachbarte Leiter mit derselben Frequenz Signale erzeugen. Wenn Sie jemals eine Hi-Fi-Anlage mit separaten Playern und Verstärkern verwendet haben und deren Chassis nicht miteinander verbunden sind, hören Sie möglicherweise ein Brummen.

Betrachten wir nun die sich ständig ändernden Signale in der heutigen elektronischen Welt:
– Der Eingang/Ausgang von Audiogeräten kann durch Strahlung und Leitung elektromagnetische Störungen erzeugen, die dann höherfrequente Hochfrequenzsignale aussenden, was zu Signalverzerrungen führt.
– Mobiltelefonantennen (TDMA-Impulse) senden Hochfrequenzsignale aus, die von Kopfhörern mit langen Kabeln empfangen werden können und EMI-Rauschen im Audiosignalpfad verursachen.
GSM (Global System for Mobile Communications) nutzt Frequenzmultiplex und Zeitmultiplex, um zahlreiche Telefongespräche gleichzeitig zu übertragen, wie im Diagramm unten dargestellt.

Bestimmte Mobiltelefone starten nur zu dem dazugehörigen Zeitpunkt. Die Grundfrequenz des Paketsignals beträgt 1 / 4.615 ms = 217Hz. Die Harmoniefrequenz beträgt 434 Hz, 651 Hz usw. Diese Frequenz ist hörbar. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, ist das Paketsignal des Mobiltelefons.

2.2 Ergebnis

Wenn das Mobiltelefon mit der Basisstation kommuniziert oder die beiden Mobiltelefone nahe beieinander sind, wird der Sendeimpuls über den Audiokanal durch den Verstärker, den Lautsprecher oder das Headset-Headset-Kabel geleitet. Dadurch nahm die Audioqualität deutlich ab.

2.3-Filter

EMI-Filter sollten so nah wie möglich an der Stelle angebracht werden, an der EMI-Störungen auftreten, um die Audioqualität bestmöglich sicherzustellen.
Die Auswahl der Filter sollte auf deren Bandbreite, Grenzfrequenz und Sperrbanddämpfungseigenschaften basieren. Ein weiterer Faktor für die Erzeugung eines hochwertigen Klangs ist die totale harmonische Verzerrung (THD). Ein schlechter THD kann die Klangqualität eines ansonsten hervorragenden Audiosystems beeinträchtigen. Idealerweise sollte der THD-Wert von EMI-Filtern besser sein als der der schwächsten Signalkette.
Zu den repräsentativen Merkmalen gehören:
• Sperrdämpfung von mindestens -25 dB für das Frequenzband von 800–2480 MHz
• Sperrdämpfung von mindestens -20 dB für das Frequenzband von 10–800 MHz
• MIC-Leitung mit THD+N (0.03 %) nicht weniger als -70 dB(A) für hochwertige Audioqualität.
Berücksichtigen Sie den Platz auf der Leiterplatte
Mobiltelefone verfügen immer mehr über Multimedia-Funktionen wie GPS, MP3, FM, Bluetooth und DVB-H. Diese Funktionen erfordern zusätzlichen Platz auf der Leiterplatte. Designer müssen Platz für ESD- und EMI-Lösungen schaffen.

3. Vergleich von drei Lösungen

3.1 Diskrete Lösung

Diese Lösung nutzt 24 diskrete Komponenten, um einen ESD-Unterdrücker und einen EMI-Filter zu bilden. Allerdings ist diese Lösung nicht optimiert, da Kosten und Zuverlässigkeit durch die 24 diskreten Komponenten begrenzt sind.

3.2 Low Temperature Co-Fired Ceramic (LTCC) und Varistorlösung

Der LTCC-EMI-Filter kann die Filteranforderungen effektiv erfüllen. Allerdings verfügt der Varistor über eine hohe Klemmspannung (maximaler VCL > 100 V), was keinen optimalen Schutz für empfindliche Submikrometer-Chip-ESD bietet.

3.3 Integrierte passive und aktive Geräte

Diese Technologie kombiniert Schutzdioden und passive Komponenten wie Widerstände und Kondensatoren mit hoher Dichte in integrierten Schaltkreisen wie Siliziumchips. Im Vergleich zu den beiden vorherigen Lösungen bietet die IPAD-Lösung folgende Vorteile:
• Es kann alle ESD-Unterdrückungs- und EMI-Filterungsanforderungen erfüllen.
• Es kann erheblich Platz auf der Leiterplatte eingespart werden (ca. 78 %).
• Durch die Verwendung von Geräten aus natürlichem Silizium werden eine höhere Zuverlässigkeit und niedrigere Betriebskosten erreicht.

4. Fazit

In diesem Artikel werden die Ursachen und möglichen Folgen von ESD und EMI in mobilen Audioschnittstellen vorgestellt und kurz die Anforderungen an die ESD-Unterdrückung und EMI-Filterung erörtert.

Im Vergleich der verfügbaren integrierten ESD-Schutz- und EMI-Filterlösungen kann es den besten ESD-Schutz (niedrigste VCL) und die beste Sperrbanddämpfung sowie andere günstige Bedingungen wie verbesserte Zuverlässigkeit und niedrigere Betriebskosten bieten.

Tags:ESD61000-2