Questo articolo esplora brevemente le cause e le conseguenze di ESD ed EMI nei sistemi audio mobili. Poi si discute l'uso di ESD soppressori e EMI filtri per mitigare queste minacce. Infine, mette a confronto tre soluzioni attuali. I materiali e le tecnologie moderne hanno portato alla frequente comparsa di scariche elettrostatiche (ESD) ed interferenza elettromagnetica (EMI), che comportano rischi significativi. I nostri indumenti e gli oggetti con cui entriamo in contatto possono generare elettricità statica. Anche il digitale genera interferenza elettromagnetica. Le scariche elettrostatiche possono danneggiare i componenti elettronici dei telefoni cellulari. Sebbene i telefoni siano facilmente sostituibili, possono causare danni significativi agli utenti. I progettisti di circuiti telefonici devono garantire che vengano adottate le misure necessarie per eliminarli Danni da scariche elettrostatiche.

Le EMI nei circuiti audio possono provocare una scarsa qualità del suono, con problemi udibili come sibili, schiocchi e ronzii. Gli utenti di telefoni cellulari non possono tollerare tali interferenze. Pertanto, è necessario impegnarsi per filtrare le EMI nei circuiti audio.

1. Scariche elettrostatiche (ESD): cause, conseguenze e soppressione

1.1 cause

Tutti abbiamo sperimentato gli effetti dell'elettricità statica. Ne siamo stati testimoni nei fulmini sin dai nostri giorni preistorici come abitanti delle caverne. Rimane una minaccia significativa oggi ed è onnipresente. Quando ci pettiniamo i capelli con un pettine di plastica, possiamo osservare la generazione di cariche statiche. Se avvicini il braccio allo schermo televisivo, puoi vedere i peli del braccio rizzarsi. Questo è anche un esempio dell'effetto dell'elettricità statica.

Quando apri la portiera dell'auto e scendi, potresti avvertire uno shock dovuto alla scarica statica. Poiché le case e i luoghi di lavoro sono sempre più pieni di apparecchi elettrici, l’elettricità statica diventa un pericolo costante. Le persone coinvolte nella produzione o nella riparazione di apparecchiature elettriche proteggono se stesse e le proprie attrezzature di lavoro mettendosi a terra, prevenendo lesioni causate dalle scariche statiche delle apparecchiature elettriche.

Conseguenze 1.2

Possiamo vedere i fulmini colpire edifici e alberi, dimostrando il suo potere distruttivo. Anche piccole scariche possono danneggiare i circuiti elettronici sensibili se la protezione ESD non è ottimale. I telefoni cellulari hanno un certo livello di protezione ESD. Le connessioni esterne ai circuiti audio sono la fonte più comune di ESD. Il semplice collegamento di cuffie o altoparlanti può potenzialmente esporre il telefono alle scariche elettrostatiche.

1.3 Soppressione

Come tutti i prodotti, anche i telefoni cellulari devono essere testati ESD secondo IEC 61000-4-2 regolamenti. La normativa specifica che un telefono deve sopportare una scarica d'aria di 15 kV (attraverso una rete da 330 Ω/150 pF), che equivale approssimativamente a una corrente di 45 A che dura almeno 1 nanosecondo. In questo scenario, il telefono dovrebbe continuare a funzionare senza essere danneggiato. Questo confronto si riferisce ad un impulso ad alta energia e al ESD esperimento sul modello del corpo umano. È necessario aggiungere un'ulteriore protezione ESD a ciascun potenziale punto di ingresso ESD per proteggere il chip principale. In generale, i dispositivi per la soppressione delle scariche elettrostatiche generano uscite controllabili note come tensioni di bloccaggio.

La figura seguente mostra l'uscita (tensione di serraggio) del dispositivo di protezione ESD in un evento ESD.

2. Interferenza elettromagnetica (EMI): cause, effetti e filtri

2.1 cause

Quando scorre corrente, attorno a un conduttore viene prodotto un campo magnetico. Quando la corrente cambia, cambia anche il campo magnetico. Pertanto, la semplice accensione/spegnimento della corrente può causare cambiamenti nel campo magnetico. Questi cambiamenti nel campo magnetico possono indurre segnali nei conduttori vicini. Questi sono i principi base dell’elettricità.

Sia l'elettricità domestica che quella industriale utilizzano corrente alternata con frequenze di 50 Hz o 60 Hz. Queste frequenze rientrano nella gamma udibile. Poiché la corrente cambia continuamente, i conduttori vicini con la stessa frequenza possono produrre segnali. Se hai mai utilizzato un sistema Hi-Fi con lettori e amplificatori separati e se i loro chassis non sono collegati insieme, potresti sentire un ronzio.

Consideriamo ora i segnali in continua evoluzione nel mondo elettronico di oggi:
– L'ingresso/uscita dei dispositivi audio può generare EMI attraverso radiazioni e conduzione, che quindi emettono segnali di radiofrequenza a frequenza più elevata, portando alla distorsione del segnale.
– Le antenne dei telefoni cellulari (impulsi TDMA) emettono segnali in radiofrequenza, che possono essere ricevuti da cuffie a filo lungo, causando rumore EMI nel percorso del segnale audio.
Il GSM (Sistema Globale per le Comunicazioni Mobili) utilizza l'accesso multiplo a divisione di frequenza e l'accesso multiplo a divisione di tempo per trasmettere simultaneamente numerose chiamate telefoniche, come mostrato nello schema seguente.

I telefoni cellulari specifici vengono lanciati solo nel momento ad essi assegnato. La frequenza di base del segnale del pacchetto è 1/4.615 ms = 217 Hz. La frequenza dell'armonia è 434 Hz, 651 Hz, ecc. Questa frequenza può essere ascoltata. Come mostrato nella figura seguente, il segnale del pacchetto del telefono cellulare.

Risultato 2.2

Quando il telefono cellulare comunica con la stazione base, oppure i due telefoni cellulari sono vicini l'uno all'altro, l'impulso di trasmissione passa attraverso il canale audio attraverso l'amplificatore, l'altoparlante o il filo dell'auricolare. Di conseguenza, la qualità audio è diminuita in modo significativo.

Filtri 2.3

I filtri EMI dovrebbero essere il più vicino possibile al punto in cui entrano le interferenze EMI, per garantire la massima qualità audio possibile.
La scelta dei filtri dovrebbe essere basata sulla loro larghezza di banda, frequenza di taglio e caratteristiche di attenuazione della banda di arresto. Un altro fattore nella creazione di un suono di alta qualità è la distorsione armonica totale (THD). Un THD scarso può distruggere la qualità del suono di un sistema audio altrimenti eccellente. Idealmente, il valore THD dei filtri EMI dovrebbe essere migliore di quello della catena di segnale più debole.
Le caratteristiche rappresentative includono:
• Attenuazione della banda di almeno -25 dB per la banda di frequenza 800-2480 MHz
• Attenuazione della banda di almeno -20 dB per la banda di frequenza 10-800 MHz
• Linea MIC con THD+N (0.03%) non inferiore a -70 dB(A), che fornisce audio di alta qualità.
Considera lo spazio sul circuito stampato
I telefoni cellulari incorporano sempre più funzioni multimediali, come GPS, MP3, FM, Bluetooth e DVB-H. Queste funzioni richiedono spazio aggiuntivo sul circuito stampato. I progettisti devono fare spazio alle soluzioni ESD ed EMI.

3. Confronto di tre soluzioni

3.1 Soluzione discreta

Questa soluzione utilizza 24 componenti discreti per formare un soppressore ESD e un filtro EMI. Tuttavia, questa soluzione non è ottimizzata poiché il costo e l'affidabilità sono limitati dai 24 componenti discreti.

3.2 Ceramica co-cotta a bassa temperatura (LTCC) e soluzione varistore

Il filtro EMI LTCC può soddisfare efficacemente i requisiti di filtraggio. Tuttavia, il varistore ha una tensione di bloccaggio elevata (VCL massimo > 100 V), che non fornisce una protezione ottimizzata per i chip ESD sensibili di dimensioni inferiori al micron.

3.3 Dispositivi passivi e attivi integrati

Questa tecnologia combina diodi di protezione e componenti passivi, come resistori e condensatori ad alta densità, in circuiti integrati come i chip di silicio. Rispetto alle due soluzioni precedenti, i vantaggi della soluzione IPAD sono i seguenti:
• Può soddisfare tutti i requisiti di soppressione ESD e di filtraggio EMI.
• Può far risparmiare una notevole quantità di spazio sul circuito stampato (circa il 78%).
• Utilizzando dispositivi in ​​silicio naturale, garantisce un'affidabilità più significativa e costi operativi inferiori.

4. CONCLUSIONE

Questo articolo presenta le cause e le potenziali conseguenze di ESD ed EMI nelle interfacce audio mobili e discute brevemente i requisiti per la soppressione ESD e il filtraggio EMI.

Confrontando le soluzioni di protezione ESD integrata e di filtraggio EMI disponibili, è in grado di fornire la migliore protezione ESD (VCL più basso) e la migliore attenuazione della banda di arresto, nonché altre condizioni favorevoli come maggiore affidabilità e costi operativi inferiori.

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