使用貼片壓敏電阻的智能手機音頻線路解決方案指南


概要

智能手機的揚聲器或耳機的音頻線路中，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)對策。此外，在音頻線路的噪音對策方面，其不僅需要ESD等的抗擾度對策，同時也需要對智能手機內部電路配線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路的ESD對策，同時能滿足

大幅削減貼裝面積

音頻失真小

改善接收靈敏度

抑制噪音

等音頻線路特有的各類要求的ESD保護元件。以下就為智能手機音頻線路提供最佳解決方案的各類優點進行說明。

將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻的音頻線路解決方案

優點1：
最大削減90%以上的貼裝面積

優點2：
音頻失真小

優點3：
通過靜電容量發揮噪音抑制效果

優點4：
改善接收靈敏度

優點5：
與TVS二極管相同的ESD保護性能

音頻線路解決方案用TDK貼片壓敏電阻的介紹

將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻的音頻線路解決方案

智能手機等音頻線路中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噪音的一種。
近年來，隨著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題。 尤其是耳機插接，由于會頻發插拔針插頭，因此在插入帶電的針插頭時會產生ESD，從而在設備內部進行氣體放電的可能性很高，為此必須采取對策。
針對此類接口端子中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類放大器等數碼放大器。此外，耳機線，麥克風線是直接從音頻編解碼器中輸出音頻信號。為此，其中會插入保護元件作為揚聲器線或耳機線的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點。

圖2：智能手機音頻線路中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點。主要為空間優點與成本優點，同時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點進行說明。

優點1．最大可削減90%以上貼裝面積

近年來，隨著智能手機高性能化的快速發展，主板呈現極度擁擠狀態，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。
使用TVS二極管作為音頻線路解決方案時，若將其作為ESD對策的同時還以除去噪音為目的，那么TVS二極管的靜電容量則會過小，因此需要并聯插入MLCC，由此則需要貼裝2個元件的面積。而由于貼片壓敏電阻靜電容量大，因此可使用1個產品來替換TVS二極管和MLCC這2個產品。
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的貼裝面積進行了比較。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量產有0402形狀(0.4×0.2mm)的貼片壓敏電阻，該產品可削減90%以上的貼裝面積，從而能夠為智能手機的進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

優點2．音頻失真小

將ESD保護元件插入智能手機音頻線路中后，會使音頻信號發生失真，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保護元件時是音頻失真最小的狀態，以此作為標準值。插入TVS二極管后，在高輸出領域中，THD+N大幅増加。而貼片壓敏電阻則與未插入時的情況相同，未引起音頻失真。

圖4：各ESD保護元件 THD＋N測量結果

從這些結果來看，TVS二極管及貼片壓敏電阻的電流-電壓特性(IV曲線)會產生影響。TVS二極管的IV曲線中"急劇升高"及"有時擁有極性"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失真，保持高音質。

優點3．通過靜電容量抑制噪音的效果

在智能手機的音頻線路中，音頻編解碼器及D級放大器等會產生噪音，進而對內部天線造成干擾，導致接收靈敏度劣化。一般情況下會使用低通濾波器(LC濾波器)作為對策，但應盡可能從大范圍靜電容量產品線中選擇最佳產品為宜。
表1所示為各類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。音頻線路配線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的產品更為有效。

表1：各類ESD保護元件的靜電容量產品線

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二極管并聯的形式插入MLCC。 若不使用MLCC而只使用TVS二極管時，靜電容量將會不充分，從而無法除去電磁噪音。

貼片壓敏電阻中數10pF～數100pF的產品線對于數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品線，可從中選擇符合抑制噪音所需頻帶的產品。

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

優點4．改善接收靈敏度

圖7所示為使用ESD保護元件時的接收靈敏度測量結果。

相比取下ESD保護元件時的狀態(無保護元件)，TVS二極管(靜電容量:5pF)下的接收靈敏度發生了下降。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)會產生影響。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，衰減將會變大。而TVS二極管的靜電容量較小，僅為5pF，因此衰減領域在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，則需要以并聯方式插入靜電容量為100pF的MLCC。

図8：各ESD保護元件 傳輸特性(插入損失-頻率特性)

優點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箝位波形進行比較的圖表。TVS二極管(5pF)的ESD保護性能方面，以并聯方式插入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

"使用貼片壓敏電阻的智能手機音頻線路解決方案指南"總結

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，不僅實現了有效的ESD對策，同時也帶來了空間優點、成本優點、噪音抑制等各種優點。

將TVS二極管替換為貼片壓敏電阻的優點

可實現極佳的ESD保護對策。

可通過貼片壓敏電阻1個產品，實現TVS二極管(ESD保護)與MLCC(噪音抑制)這2個產品的功能。

可從大范圍靜電容量產品線中選擇符合抑制噪音所需頻帶的產品。

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與未插入元件時相同，從而可確保音頻質量。

《貼片壓敏電阻AVRM系列的主要特點及用途》

【主要特點】

用獨立開發的鐠氧化鋅類材料，并采用先進的積層工法及工藝技術制造而成的SMD貼片式壓敏電阻。

因其電流及電壓特性對稱，因此沒有極性。

小型并擁有優異的靜電吸收能力。

靜電容量產品一應俱全。

在智能手機的音頻線路等中，可以1個器件替換TVS二極管＋MLCC。

擁有節省空間、減少元件數量、削減貼裝成本等各類優點。

【主要用途】

各類電子設備的ESD對策
(接口端子、按鈕/開關部、電池端子等)

智能手機音頻線路中的ESD及噪音對策等尤其出眾

【用于音頻線路解決方案的貼片壓敏電阻AVRM系列】產品信息以及樣品購買

※客戶可根據用途選擇類型/型號，從而可提高客戶產品可靠性。

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