与恶龙缠斗过久,自身亦成为恶龙;凝视深渊过久,深渊将回以凝视 - 尼采《善恶的彼岸》
身怀利器,杀心自起。那片滋生恶龙的古老土壤,充斥谎言、暴力和权谋,狰狞而阴暗。“英雄”与“恶龙”不过是同一枚硬币的两面。当挺身而出的少年杀死恶龙,坐在堆积如山的财宝上时,眼神变得和曾经的恶龙一样贪婪、暴戾。他再也压抑不住支配众生,宏大叙事,左右人间悲喜的欲望,于是慢慢长出了鳞片和尖角,成为了那条他誓言要消灭的恶龙。
与上述一体两面现象类似,手机中的喇叭(听筒/扬声器)作为发声器件,本应抒发清晰的通话,优美的歌声,可有时却因为客观上具备发声能力,在没有声音播放时,受干扰而发出人耳可闻噪声,从屠龙少年变成恶龙。
背景
听筒指手机上部的小喇叭,也叫受话器,英文为Receiver,咬住你的耳朵说悄悄话(别人听不到)。扬声器则指手机下部的大喇叭,英文为Speaker,它俩都是将电信号转换成真实声音的电声器件。
它们的工作原理是:电信号注入一个音圈,而音圈是置于一个永磁体磁路的磁隙里。当音圈受到变化的电流驱动时,其上磁场也成为一个极性快速变化的交变磁场。音圈产生的交变磁场,与听筒内永磁体提供的恒定磁场发生相互作用。这两个磁场会瞬间产生排斥力或吸引力。就使得音圈在永磁体的磁场中,按照音频信号的频率进行机械运动。音圈振动带动膜片振动,膜片振动引发声波,由此产生声音。


而音圈内部,不仅有正常的磁场,也会有其他非正常的、属于磁干扰性质的磁场(非法闯入者),磁干扰同样能在喇叭上发出声音。
林子大了,什么鸟都有,手机中模块众多,内部最不缺的就是瞬态大电流走线,比如射频PA走线、VSYS(VPH_PWR)系统电源走线、马达驱动走线、屏幕驱动走线等。
根据麦克斯韦电磁场理论,任何变化的电流都会在其周围产生变化的磁场。你可以想象下,这条流过高频电流或瞬态电流的走线,不断地向外辐射磁场,而产生的磁干扰可能在喇叭上发出声音。
大电流走线的电流变化越剧烈,这种噪声越明显。

案例1 - 4G PA走线干扰听筒
某手机项目在开发时发现,在4G下载时,即使手机没有播放声音,把耳朵靠近听筒,也能听到异响,跟闹鬼似的。
根据经验,手机上经常发生MLCC电容板振问题,先是怀疑电容发声,并没有怀疑到听筒本体,但拆下了较多的MLCC实验后现象仍然在。
偶然间把听筒去掉,噪声消失,遂开始怀疑听筒部件受到了干扰。
顺藤摸瓜,排查PCB走线,发现4G PA的供电走线像公交车上喜欢贴贴的痴汉一样,极为靠近听筒。怀疑是该走线上的瞬态电流变化产生磁干扰,辐射到听筒本体,然后在听筒本体的线圈上生成感应电流,再在听筒内部永磁体的磁场作用下振动,由此产生噪声。

修改PCB走线,将4G PA的供电走线下移,远离听筒,问题解决。
案例2 - 屏幕供电走线干扰扬声器
某项目,在小板上,屏幕FPC与扬声器模组在垂直投影方向上有重叠。屏幕在亮屏时,耳朵靠近扬声器,能明显听到异响,并且确认异响来自扬声器,而非FPC振动。
经分析,为屏幕FPC上的VSP/VSN走线干扰扬声器所致。屏幕在工作时,VSP/VSN上有交变电流,耦合到其重叠区域的扬声器线圈上,产生磁干扰,穿透了扬声器的磁路间隙,产生了人耳可闻噪声。

即使屏幕走线和扬声器物理上不直接接触,只要靠得足够近(近场区),磁场耦合就会发生。
修改FPC走线,将VSP/VSN远离扬声器,并将扬声器向左挪下屁股,划开界限,问题解决。
总结
大电流走线的磁干扰问题,其核心解决思路就是布局上的远离和磁屏蔽,要么“躲”,要么“挡”。
1、布局上的远离
这是最为重要的方案,在PCB布局时,将瞬态大电流走线和喇叭部件远离,避免两者平行、重叠。正所谓惹不起就躲的远远的,井水不犯河水。
2、磁屏蔽
我们还可以给磁干扰穿一件衣服。如下图,在磁场中,磁导率不同的两种介质,它们的交界面上磁场会发生变化(磁感应强度B的大小和方向都会发生变化)。因此我们可以用磁屏蔽材料变更磁场的方向和大小。

在实践中,我们可以将喇叭的结构件材料改为软铁材料(可以隔磁),或者直接在主板干扰源上方的屏蔽罩上方贴上隔磁片。但这只是思路,能否落地还有其他地方要验证,比如结构强度是否OK、是否有干扰电子罗盘的风险等等。但总的来说,磁屏蔽的方案因为成本和结构等问题用的不多。