智能手机内部电路：怎样攻克噪声难题？

从 2020 年前后起在全球范围内投入服务的 “5G” 通信，其速度、容量以及实时性（低延迟）达到了以往 4G 通信的数十至数百倍，这是一种能够同时连接多个终端的新一代通信网络。它作为人类社会全新发展阶段 “社会 5.0” 及 “工业 4.0” 等的基本基础设施，预计将对未来的生活、商务、自动化以及医疗等领域带来变革，我们的工作方式也会发生巨大变化。

用于超高速及大容量 5G 通信的噪声对策元件

5G 社会是连接了 AI（人工智能）、庞大数量的 IoT 设备的先进通信网络，智能手机及穿戴式终端等作为网络与人之间的接点，有望得到进一步的发展。此外，5G 通信中会使用到超高速、大容量信号，因此作为信息出入口的智能手机及穿戴式终端需要采取比以往更为严格的噪声对策。

一般情况下，作为电子设备内部的传导噪声对策，首先会使用组合了电感器（线圈：L）与电容器（C）的 LC 滤波器。根据通过 LC 滤波器的频段，拥有 LPF（低通滤波器）、HPF（高通滤波器）、BPF（带通滤波器）3 类。数据通信中的脉冲型数字信号是基波及其整数倍谐波的集合，其中的高阶谐波成分为辐射噪声。用于除去不需要的谐波成分而在单个芯片上设计的 LPF 称为 EMI 滤波器等。

但对于要求高速、大容量数据传输的智能手机内部连接（显示器或内置摄像头与 CPU 的连接等）以及与外部设备（数码相机、投影仪、4K 电视机等）连接的接口部噪声对策而言，EMI 滤波器并不充分，因此需要采用噪声对策元件进行替代。虽然利用铁氧体特性的贴片磁珠能有效除去高频噪声，但它存在让信号波形失真的问题。为了克服这一问题，TDK 全新开发了噪声抑制滤波器 *。此外，柔性噪声抑制片 Flexield 也能有效抑制辐射噪声。

* 噪声抑制滤波器：通过先进铁氧体技术与内部结构设计，兼顾高噪声抑制效果与确保信号质量的噪声对策元件。它用于智能手机音频线等用途。

*Flexield：由软磁材料与树脂制成的柔性电磁屏蔽材料。在广泛的频率范围内抑制电子设备的辐射噪声。

共模噪声电流是辐射噪声的主要原因所在，因此从发生源处进行抑制，避免其传导至其他电路及外部设备中十分重要。因此，20 世纪 90 年代之后，共模滤波器作为噪声对策元件被大量用于电子设备之中。

设备自身产生的辐射噪声对内置天线造成影响的 “自我中毒” 问题

智能手机是由移动通信和个人电脑技术融合发展而来的多媒体终端，是一种可随时连接网络的先进无线通信设备。智能手机的内部电路和元件 / 模块的配置会根据制造商和型号的不同而不同，但其基本结构如下所示。

由于电路密度高，天线、扬声器、麦克风、摄像头模块和 I/F 终端等都紧挨着配置在终端上方及下方的子板上。这也是造成自体中毒的原因之一。打开电源的智能手机即便在待机状态下也会不断地向基站发射和接收信号，交换位置信息，并且保持能够立即进行通话的状态。换言之，天线一直处于运作状态，以便从来自基站的各种电波中分辨出必要的信号。然而，如果内置天线接收到内部数字电路等产生的辐射噪声，通话质量和显示器图像质量就会下降。这就是智能手机中被称为自体中毒 * 的噪声问题。

* 自体中毒：医学术语，指一种本应无害的物质在体内变成了有毒物质，导致中毒。在电子设备中是指即便完全与外部的传导噪声及辐射噪声隔绝，由于电路内部产生的噪声而对电子设备性能造成的不良影响。

智能手机作为先进的无线通信设备，其中不仅内置了蜂窝用天线（5G/4G/W - CDMA/GSM 等），而且还内置了用于 WiFi、Bluetooth、NFC、One Seg、RFID 等的众多天线。早期的手机中使用了杆由于多功能导致的高密度电路，这些天线被安装在高频发送 / 接收电路、扬声器及麦克风等音频线的模拟 / 数字电路旁边。此外，连接数码相机、投影仪、4K 电视机等外部设备与智能手机的接口电缆功能与天线类似，因此是辐射噪声，造成自体中毒的原因所在。也就是说，随着智能手机的多功能化发展，自体中毒的问题将会随之变大。

智能手机中自体中毒的主要事例与对策如下所示：

【事例】连接相机模块和显示器的 FPC（柔性印刷电路板）发出的噪声干扰附近的内置天线，从而降低通信质量。【噪声对策】插入共模滤波器。在 PFC 上贴附 Flexield（噪声抑制片）。

【事例】连接智能手机、4K 电视、投影仪等的电缆（USB Type C 电缆等）发出的噪声干扰内置天线，从而降低通信质量。【噪声对策】在 I/F 端子上插入共模滤波器。

【事例】连接 D 级放大器（无滤波器的音频放大器）与扬声器的音频线所发出的噪声干扰附近的内置天线，从而降低通信质量。【噪声对策】在扬声器线中插入噪声抑制滤波器等。

数字设备中共模滤波器不可获取的理由

之所以共模滤波器能够在包括智能手机在内的高速数据传输数字设备中发挥着越来越重要的作用，是因为它具有优异的特性，能够有效抑制共模噪声电流而不影响信号电流。

共模滤波器的基本结构是由两根导线以相同的方向缠绕在一个环状铁氧体磁芯上。信号电流采用差分模式，其中一个导线为输出路径，另一个导线为返回路径，因此线圈产生的磁通会相互抵消。因此，插入共模滤波器对高达 10Gbps 的超高速信号波形没有影响。另一方面，由于共模噪声电流以相同的方向流经两根导线，并且会叠加所产生的线圈磁通，因此电感增加，阻抗变大，从而反射了进入的噪声，阻止了其传播。这就是共模滤波器抑制噪声的基本原理。

信号电流（差分模式电流）的方向在输出和返回路径上是相反的，因此在线圈中产生的磁通会被抵消。因此，其几乎不会对信号波形造成影响。由于共模噪声电流在同一方向流动，因此线圈中产生的磁通会相互加强。最终使电感增加，阻抗增大，从而能够阻断噪声电流的流动。

实现高速数据传输的串行差分传输方式的问题点

要求高速、大容量数据传输的电子设备接口部分采用了使用差分信号的串行传输方式。这种方式是在两条电缆上依次传输相位差为 180° 的差分信号，其特点在于与使用多根信号线的并行传输相比，能够大幅减少信号线的数量，并能够应对高速化。

智能手机中采用的串行差分传输方式的高速接口标准主要有以下几种：

●内部接口（与显示器、相机模块等连接）：MIPI、LVDS 等。

●外部接口（与数码相机、投影仪、4K 电视等连接）：USB、HDMI 等。

串行差分传输方式的特点还在于不易受外部噪声的影响，但在实际情况中，它们会因为差分信号相位的细微偏差（歪斜）、上升及下降时间偏差而存在产生共模噪声的问题。连接电脑和外围设备的差分传输方式高速数字接口（USB、HDMI 等）的电缆成为共模噪声发生源的内容在之前的文章中进行了介绍（元件篇⑤等）。同样的问题也发生在智能手机的内部电路中。例如，连接显示器和相机模块与 CPU 的 FPC（柔性印刷电路板），以及连接 D 级放大器和扬声器的音频线等都是共模噪声的发生源，均会引起自体中毒。

因此，共模滤波器对于即将到来的 5G 时代的智能手机和穿戴式设备变得越来越重要。凭借时钟的高速化、通道的平行连接，这些噪声抑制元件可以应对传输速度达到数十 Gbps 的 5G 时代的超高速化。

运用先进薄膜工艺技术的薄膜共模滤波器

共模滤波器包括使用环状铁氧体磁芯的类型，结合鼓形磁芯和板形磁芯的小型 SMD（表面贴装元件）类型，以及两个薄膜线圈相对的薄膜共模滤波器。

TDK 的薄膜共模滤波器运用并发展了基于在 HDD 磁头等产品中积累的先进薄膜工艺技术，并且通过对高磁通密度铁氧体材料的薄膜与高精细图案的薄膜线圈层压而成。这些尖端的噪声对策元件不仅能够作为 5G 时代的智能手机和平板电脑终端的噪声对策，同时还有助于实现进一步的小型化和高功能化。

在 HDD 用磁头制造中积累的先进薄膜工艺技术得到应用与发展。薄膜共模滤波器实现了高磁通密度的铁氧体基板与高精度图案薄膜线圈。通过将线圈截面的宽高比增加到 2 以上，实现了行业最小级别的极小化，降低了浮游容量。

总结

随着智能手机的多功能化发展，自体中毒的问题将会随之变大。其原因在于设备内部传输线路和连接外部设备的电缆所产生的辐射噪声。其基本对策包括以下几项：

●第一点是确保不易受到噪声影响的元件位置，进行传输线路设计、底板设计以及屏蔽。但在实际情况中，由于智能手机中电路的高密度化，噪声发生源和内置天线等必须安装在很近的地方。尤其是，天线集中在智能手机的上方与下方，同时还有相机模块、麦克风和扬声器等。

●因此，对于功能不断增加的智能手机而言，选择并使用适当的噪声抑制元件非常重要。除了共模滤波器和噪声抑制滤波器外，使用噪声抑制片（Flexield）也很有效。

●传输线路中的阻抗不匹配会导致噪声被反射，产生辐射噪声，从而导致自体中毒。在选择共模滤波器时，考虑到噪声衰减特性（插入衰减 - 频率特性），适当地匹配阻抗也很重要。