(嬴政)乃使蒙恬北筑长城而守藩篱,却匈奴七百余里;胡人不敢南下而牧马,士不敢弯弓而报怨 - (西汉)·贾谊·《过秦论》
中国历史上为了防止北方游牧民族入侵,各个朝代不遗余力,就算劳民伤财、激起民变也要不停地修建和完善长城,确实有合理性。
然而世人皆谓长城是盛世奇观,却不知闭关、锁国、海禁、封城亦是古老的传承,是一体两面。现代社会也有现代社会的万里长城,如东德修的柏林墙,北韩修的边境墙......,它们不仅抵御外部世界的思想风潮,亦是阻止普通民众的迁徙跑路,违者当场射杀的沟堑。世界是一个巨大的牢笼,以保护的名义进行PUA,阻止探索外部世界,真的有用吗?
众所周知,手机是一个高度集成的复杂系统,手机内部的音频Smart PA和高速数字处理器、DC/DC电源模块、射频天线模块挤在一起,靠的很近,容易互相产生干扰。
为了解决干扰,在手机原理图中,通常会看到磁珠(Bead)串联在Smart PA的输出线路上,磁珠和长城在本质上相同,都属于“隔离”,长城隔离民族,而磁珠隔离电磁干扰。

但具体的隔离情形是怎样的呢?
背景
现代手机的音频功放大多基于D类功放,其全桥结构输出的是开关型脉冲,通过脉冲宽度来调制音频信号幅度,开关频率通常在几百kHz到几MHz。
如下为全桥(H桥)输出示意图,桥式连接,Bridge-Tied Load,可驱动扬声器两端输出达到正、负端电压,从而使摆幅加倍。摆幅加倍意味着四倍功率,这是一个很大的改进,尤其在电池供电的低电压应用中。

然而这种桥式功放有它自己的尴尬之处:
- 一方面,就像脱口秀表演时喷出的唾沫星子,输出线路上开关波形所带来的高频噪声会通过走线辐射出去,成为电磁干扰源,对外部模块产生干扰。
- 另一方面,它直连到扬声器(Speaker、Reciever),外部的噪声也可能通过空间耦合进入线路,隔空投毒,从而使扬声器发出噪声。
而这时,铁氧体磁珠,便是这种双向的、相互耦合性质的霍霍的解决方案。
磁珠本质上是一个高频发热损耗器件,对低频信号的阻抗很低,允许其顺利通过;而对高频信号,则以热的形式消耗掉。它的阻抗-频率曲线是精心设计的,在目标频段(比如几十MHz到GHz)呈现高阻抗。

消除对外部的干扰
D类功放在工作时所产生的高频噪声,能通过走线(尤其是长走线)辐射到周围空间,成为电磁干扰源,尤其对射频影响严重。
手机的GSM/4G/5G/Wi-Fi/蓝牙天线作为接收链路的先锋,对高频噪声极其敏感。功放产生的高频噪声如果辐射出去,会严重干扰射频接收灵敏度,导致通话质量下降、数据速率降低。
而串入磁珠可以掐断噪声通过音频线向外传播的路径,达到隔离噪声的目的,此时需将磁珠靠近功放位置放置。
下图是TDK所实测的,串联磁珠后的电磁骚扰改善示意图。


抵挡外部模块的干扰
Smart PA输出线路上的磁珠同样能防止外部干扰的入侵,阻止其他模块,如CPU、射频天线、电源等的噪声通过空间耦合进入音频输出线路。
此时需要把磁珠靠近扬声器放置,磁珠可滤除高频noise,虽然其本身听不见,但如果这个noise以一定的频率(音频范围)出现(比如GSM中的TDD 217Hz noise),就会造成可听见的噪音。
由于外部干扰的来源众多,特定的磁珠仅能够对特定频率的干扰信号以发热的形式消耗掉,因此磁珠的选型需要根据所需要滤除的射频频段而选择。
我们可以选择在需要抑制的噪声频段阻抗最高的磁珠,同时保证在音频范围内(<20kHz)阻抗几乎为零,举例如下图。


总结
在智能手机的智能功放输出端串联铁氧体磁珠,是利用了磁珠对高频信号高阻抗、高损耗的特性,滤除功放自身产生的高频开关噪声(不干扰别人),并阻断音频线路接收外部干扰(不被别人干扰)。从而在保证音质的前提下,提升整机电磁兼容性。
除了频段,Smart PA输出线路上的磁珠还有其他地方要考虑:
- 磁珠DCR是否合适:扬声器是功率器件,磁珠的直流电阻要小(通常为几十毫欧),否则音频信号还没出门就先被薅了羊毛,或导致音量降低,效率降低。
- 额定电流是否足够:要承受扬声器的峰值工作电流而不饱和,不能在关键时刻掉链子。
- 是否引起引起音频THD失真:磁珠的磁感应强度在电流过零附近有一个快速的斜率突变,导致磁珠两端电压在此处出现尖峰跳变,对应到频域就表现为奇次谐波变大,如下图所示,需要实测是否引入明显失真。
