使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南

使用贴片压敏电阻的智能手机音频线路解决方案指南　概要

智能手机的扬声器或耳机的音频线路中，一般插入TVS二极管以及贴片压敏电阻(积层贴片压敏电阻)作为ESD(Electro-Static Discharge：静电放电)对策。此外，在音频线路的噪音对策方面，其不仅需要ESD等的抗扰度对策，同时也需要对智能手机内部电路配线放射的电磁噪音采取对策。
TDK的贴片压敏电阻不仅可作为音频线路的ESD对策，同时能满足

大幅削减贴装面积
音频失真小
改善接收灵敏度
抑制噪音

等音频线路特有的各类要求的ESD保护元件。以下就为智能手机音频线路提供最佳解决方案的各类优点进行说明。

音频线路解决方案用TDK贴片压敏电阻的介绍

用于耳机线		用于扬声器线
	AVRM0603型	AVRM1005型
	AVRM0402型	AVRM0603型

将TVS二极管替换为贴片压敏电阻的音频线路解决方案

智能手机等音频线路中ESD对策特别受到重视的理由

电子设备中作为人机接口的扬声器、麦克风或耳机是向电子设备输入或输出音频信号的应用。一般情况下，配置于电子设备外侧的情况较多，因此容易受到外来噪音的影响。而ESD(Electro-Static Discharge：静电放电)则是影响电子设备的代表性外来噪音的一种。
近年来，随着IC的低电压化等，ESD所导致的电子设备故障或错误工作已成为严重问题。尤其是耳机插接，由于会频发插拔针插头，因此在插入带电的针插头时会产生ESD，从而在设备内部进行气体放电的可能性很高，为此必须采取对策。
针对此类接口端子中ESD的试验方法，使用人体模型(HBM：Human Body Model)，其主要考虑了人体中带电电荷向电子设备进行放电的情况。图1所示为IEC61000-4-2标准的静电抗扰度试验中所使用的人体模型。

图1：静电抗扰度试验(IEC61000-4-2)的人体模型

优点1．最大可削减90%以上贴装面积

近年来，随着智能手机高性能化的快速发展，主板呈现极度拥挤状态，完全没有剩余空间，因此使用比以往更为小型的电子元件成为了趋势。
使用TVS二极管作为音频线路解决方案时，若将其作为ESD对策的同时还以除去噪音为目的，那么TVS二极管的静电容量则会过小，因此需要并联插入MLCC，由此则需要贴装2个元件的面积。而由于贴片压敏电阻静电容量大，因此可使用1个产品来替换TVS二极管和MLCC这2个产品。
图3中对组合了TVS二极管及MLCC的情况，与使用贴片压敏电阻的情况时的贴装面积进行了比较。元件尺寸分别设想如下，TVS二极管：1006形状(1.0×0.6mm)，MLCC：0603(0.6×0.3mm)形状，贴片压敏电阻：0603形状。0603形状贴片压敏电阻可削减80%以上的贴装面积，因此拥有极大的空间节省效果。TDK量产有0402形状(0.4×0.2mm)的贴片压敏电阻，该产品可削减90%以上的贴装面积，从而能够为智能手机的进一步小型化与高性能化做出贡献。

图3：TVS二极管＋MLCC的2器件组合与贴片压敏电阻1器件的贴装面积比较

优点2．音频失真小

将ESD保护元件插入智能手机音频线路中后，会使音频信号发生失真，从而导致音频失真。此处以THD+N(总谐波失真＋噪音)的数值表示。
图4所示为ESD保护元件的对输出-THD+N特性。未插入ESD保护元件时是音频失真最小的状态，以此作为标准值。插入TVS二极管后，在高输出领域中，THD+N大幅増加。而贴片压敏电阻则与未插入时的情况相同，未引起音频失真。

图4：各ESD保护元件 THD＋N测量结果

从这些结果来看，TVS二极管及贴片压敏电阻的电流-电压特性(IV曲线)会产生影响。TVS二极管的IV曲线中"急剧升高"及"有时拥有极性"是导致音频信号失真的原因所在。
由于贴片压敏电阻没有极性，因此IV曲线相比TVS二极管，其升高幅度较缓。因此，相比TVS二极管，贴片压敏电阻更适合用于抑制音频信号失真，保持高音质。

优点3．通过静电容量抑制噪音的效果

在智能手机的音频线路中，音频编解码器及D级放大器等会产生噪音，进而对内部天线造成干扰，导致接收灵敏度劣化。一般情况下会使用低通滤波器(LC滤波器)作为对策，但应尽可能从大范围静电容量产品线中选择最佳产品为宜。
表1所示为各类ESD保护元件所覆盖的静电容量范围。MLCC覆盖的静电容量范围较广，达到数pF～数µF，贴片压敏电阻为数pF～数百pF，TVS二极管为数pF～数10pF。音频线路配线放射出的电子噪音以数100MHz～数GHz的频带居多，若要提高这些频带的噪音衰减效果，静电容量为数pF～数100pF的产品更为有效。

表1：各类ESD保护元件的静电容量产品线

0603形状(0.6×0.3mm)、1005形状(1.0×0.5mm)的TVS二极管静电容量以5～15pF左右居多，为构成目标低通滤波器，则需要像如图5所示，以与TVS二极管并联的形式插入MLCC。若不使用MLCC而只使用TVS二极管时，静电容量将会不充分，从而无法除去电磁噪音。

贴片压敏电阻中数10pF～数100pF的产品线对于数100MHz～数GHz的噪音拥有抑制效果。如图6所示，贴片压敏电阻的等效电路是由双向二极管与MLCC并列而成的。TDK的贴片压敏电阻采用积层结构，通过改变内部结构设计，可方便地调整静电容量。TDK拥有1005形状(EIA0402)：650pF以下, 0603形状(EIA0201)：330pF以下的大范围静电容量产品线，可从中选择符合抑制噪音所需频带的产品。

图5：积层贴片压敏电阻的等效电路

图6：使用TVS二极管除去电磁噪音

优点4．改善接收灵敏度

图7所示为使用ESD保护元件时的接收灵敏度测量结果。

相比取下ESD保护元件时的状态(无保护元件)，TVS二极管(静电容量:5pF)下的接收灵敏度发生了下降。若以与TVS二极管并列的方式插入MLCC(静电容量：100pF)后则可改善接收灵敏度。而贴片压敏电阻(静电容量：100pF、AVRM0603C6R8NT101N)只需1个器件便可改善接收灵敏度。

图7：各ESD保护元件智能手机接收灵敏度测量结果

从这些结果来看，根据ESD保护元件静电容量的传输特性(插入损失-频率特性)会产生影响。图8中ESD保护元件的传输特性方面，静电容量为100pF的贴片压敏电阻与MLCC拥有相同特性，而接近1GHz时，衰减将会变大。而TVS二极管的静电容量较小，仅为5pF，因此衰减领域在3GHz附近，而1GHz附近蜂窝带的接收灵敏度则无法改善。若需要使用TVS二极管解决方案改善接收灵敏度，则需要以并联方式插入静电容量为100pF的MLCC。

図8：各ESD保护元件传输特性(插入损失-频率特性)

优点5． ESD保护效果

ESD保护是贴片压敏电阻以及TVS二极管的基本性能。在使用了IEC61000-4-2人体模型(HBM：Human Body Model)的静电抗扰度试验中，作为ESD箝位波形的评估参数，规定升高部分的电压为峰值电压(Vpeak)、升高之后30～100ns的平均值为平均电压(Vave)。
图9所示为对静电抗扰度试验中ESD保护元件ESD箝位波形进行比较的图表。TVS二极管(5pF)的ESD保护性能方面，以并联方式插入MLCC(100pF)的情况与贴片压敏电阻相同。

图9：ESD保护元件的ESD箝位波形