盡其所能利用你的手機電池能量--音頻集線器技術探索

本文作者:admin       點擊: 2006-06-20 00:00
前言:
專門針對易用性、最低功耗和更小PCB占板面積而設計的新一代靈活和高整合度的音頻集線器元件,可以使得手機現在比過去任何時候都更容易地整合Hi-Fi子系統。



手機功能的豐富和體積的縮小繼續驅動針對攜帶型多媒體應用的矽晶片向更高整合度方向發展。消費者現在也開始要求更高質量的音頻和更高功率的揚聲器,而且不能接受由此而降低的電池壽命。專門針對攜帶型鋰電池供電應用而優化設計的新一代高整合度“音頻集線器”元件,允許設計師在滿足所有這些要求的同時,也能降低成本和簡化系統開發。

手機設計挑戰
在一部手機中增加更多的功能通常會增加電池電量的消耗,不管是增加非常耗電的功能(如大螢幕彩色顯示或幾百萬像素數位相機),還是利用額外的信號處理能力來執行更先進的任務(如語音識別或MPEG解碼)。

在音頻領域,支援電影重播、行動TV、遊戲和其他多媒體功能也需要從電池中得到更多電流。雖然舊型號的手機僅需要一個單聲道的揚聲器來播放鈴聲(而且可能每隔幾小時才需要播放幾秒鐘),但最新型號的多媒體手機設計開始採用身歷聲揚聲器,而且需要在長得多的一段時間內(如在TV流和遊戲期間)保持工作狀態。這些應用特性也要求揚聲器能輸出比以前更高的音質。

不過,身歷聲揚聲器要求的電能是單聲道揚聲器的兩倍,而且一個持續10分鐘的電影片斷在身歷聲揚聲器上消耗的電池能量是10秒單聲道鈴聲的120倍。現在的消費者也在期望更高的音量,1W輸出功率的揚聲器現在已是相當典型的要求,而這對電池能量提出了更高的需求。

在手機上增加功能通常要增加電路,在手機體積不斷縮小的今天,這意味著留給電池的空間比以往任何時候都要小。由於要求在使用盡可能小的電池的同時在手機上增加更多的非常耗電的音頻特性,手機設計師不得不仔細地檢討手機上每一個耗電的原因和低效率問題,以在每一個可能的地方節省電池能量。這一對更長電池壽命的要求正在推動採用D類功率放大器技術的趨勢,D類功率放大器能夠消除音頻電路中最大的低效率源。

不斷縮小的外形因數也正在推動混合信號音頻功能的整合,但這一整合也帶來了新的挑戰,因為既要改善音質,又不能增加功耗或要求額外的外部元件(如穩壓器或被動元件)。新一代“音頻集線器”元件正在逐步解決這一複雜的設計難題。下面三個主要的考慮推動了這類新元件的出現:
1. 改善音質:這並不簡單地局限於改善關鍵元件的SNR和THD性能,它還包括:抑制其他元件產生的雜訊;消除爆裂聲、滴答聲、拉鏈雜訊和其他暫態雜訊;在更高音量水平保持高性能。所有這些都為終端用戶帶來了更佳的音頻體驗。
2. 將功耗降至最低(在工作和待機模式)。
3. 減小PCB面積和元件數量。


音頻集線器概念
攜帶型多媒體設備(如手機)通常含有一些採用不同資料格式的類比和數位音頻源,這些音頻流在通過不同的變換器(如小功率揚聲器、大功率揚聲器和耳機)輸出到真實世界之前必須進行轉換和適當的混合。為了節省空間、削減成本和降低設計複雜性,將這些音頻處理功能全部集中到一個元件(即“音頻集線器”)上肯定是有利的。

圖1:“音頻集線器”可整合多種音頻處理功能


音頻集線器必須能夠連接具有不同幅度、源阻抗、DC偏置和帶寬的類比信號,如FM接收機、麥克風、發送/接收語音資料、鈴聲或Hi-Fi線路輸入。靈活的輸入配置能夠為在不同系統架構中的這些不同信號特性提供支援,而且同時最小化引腳數、節省空間和降低成本。

數位資料源也能以不同的資料格式、字長和樣本速率存在。由於電話使用模式通常僅要求音頻集線器處理單聲道8kHz PCM格式資料,因此整合數位音樂重播功能要求音頻集線器元件處理不同的樣本速率、字長和資料格式(如身歷聲16位元44.1kHz I2S資料)。音頻集線器上一個靈活的數位音頻介面和時鐘方案再加上Hi-Fi品質的資料轉換器,可使得在手機上實現數位音樂播放功能不再需要額外的混合信號元件。

在音頻集線器的類比領域中混合能夠消除樣本速率轉換困難,而且靈活的混合通道能夠促成新的應用特性的出現。像WM8983和WM8985這樣的元件允許對麥克風輸入、數位音樂、FM接收器和接收的語音資料進行任意的混合,並提供重新數位化這一混合音頻的功能,這可促成如卡拉OK錄製等功能的實現。

數位多媒體處理器和混合信號元件不同的晶圓製程趨勢進一步增強了把混合信號音頻功能整合到單個音頻集線器中的動力。

 

圖2:典型的攜帶型多媒體系統

這一信號鏈上針對各音頻功能的電源要求是音頻集線器元件中最不同的,一般有3~4個獨立的電源域,每個域都有自己獨特的電壓/電流要求和雜訊特性。音頻集線器元件需要進行非常小心的設計才能在這些電源的不同局限下工作。在不犧牲音頻信號品質的前提下將功耗降至最低,是在合理降低電池壽命的前提下為攜帶型設計提供Hi-Fi音質音樂的關鍵。每個電源域必須使用不同的省電技術。

 
圖3:數位音頻重播信號鏈


數位電源──省電
由於降低數位電源電壓不會影響音質,數位內核將採用盡可能低的電壓以節省電能。使用這些低電壓的DC/DC轉換器與線性穩壓器相比可大幅提高功率轉換效率,DC/DC轉換器的高頻率開關引起的電源紋波可以更容易地採用數位電路來加以抑制,而一個類比區塊需要一個穩定的電源電壓來使得雜訊水平盡可能地低。

以同樣的方法,採用低電壓的數位I/O緩衝器電源將消耗更少的功率,而且音質將不會受到影響,儘管由於一些實際的原因這一電源電壓有時要高於數位內核的電源電壓(例如,為了保持相互通信的元件之間的信號電壓水平的一致)。

類比電源──高品質低功率
與數位功能不同,類比信號處理元件(如ADC、DAC、混頻器、放大器和麥克風介面)對雜訊非常敏感。信噪比可通過提高類比電源電壓而改善,但代價是功耗增加了。系統設計師必須根據他們自己的音質和功耗目標做出合理的折衷。

維持一個穩定的乾淨的類比電源對預防電源雜訊降低音質也很重要。儘管良好的設計和差分技術能夠改善電源抑制比,但通常採用一個高PSRR的線性穩壓器為音頻集線器上的類比電路供電。在穩壓器的輸出電壓和最小輸入電壓之間有一個足夠的裕量也很重要,這可在電池放電時維持高的PSRR水平。在攜帶型音頻應用中2.7V和3.0V之間的類比電壓是相當典型的。
 
圖4:電池電量和時間的關係圖

儘管開關穩壓器能提供更高的效率,它們通常不用於提供類比電源,因為它們會導致開關雜訊和要求更大更昂貴的元件,而且其效率優勢也由於相對高穩定的輸出電壓而變得不是很重要。

音頻集線器上類比電路省電的最有效策略是提供靈活和粒狀電源管理控制,從而那些對某一給定的應用情景而言不是必要的電路就可以被關掉。例如,大多數音頻集線器至少內建2個ADC和2個DAC,但語音錄製功能僅需要使用一個ADC,PCM語音通話需要一個ADC和一個DAC,MP3播放需要使用兩個DAC。

只要在某個特別的電路裏有功耗和音質折衷問題,就可以採用低功耗模式,這樣當品質要求降低時(如在語音通信時),性能也可以適當地降低以節省電力。隨著音頻集線器元件複雜性不斷增長以匹配不斷增加的手機性能,可能的元件配置數量也在增長,不同區塊的低階控制變得必要以避免浪費功率。

揚聲器電源──高電壓以產生高功率輸出
揚聲器驅動器(和耳機驅動器)通常使用一個獨立的電源。揚聲器電源將趨向於比其他類比電源大,以得到最大的輸出功率。使用獨立揚聲器電源也使得其他類比電路不受揚聲器的高負載電流期間掉下的電源電壓的影響。

儘管希望為揚聲器驅動器使用一個更高的電源電壓,但生成一個另外的電源軌所需要的附加元件和增加的成本、再加上提升電池電壓所需要的額外電池電流,使得這一解決方案不是太有吸引力。因為這些原因,很多設計師更喜歡直接將揚聲器電源連到電池上。但這一方案也帶來了一些獨特的挑戰。

 
圖5:攜帶型多媒體應用中典型的電源配置


揚聲器直接由電池供電

高PSRR──攜帶型系統的電池上經常有很高級別的雜訊。這一雜訊通常是系統其他部分經常變化的負載電流引起的電壓降造成的(如硬碟驅動器的工作或蜂巢通信期間RF功率放大器的脈衝式工作)。當將揚聲器電源直接連到電池上時,輸出放大器需要一個很高的電源抑制比(PSRR)來防止這一雜訊饋入音頻輸出。

 
圖6:低PSRR對揚聲器輸出的影響

低洩漏電流──當音頻集線器元件的揚聲器驅動器電源永久性固定連接到電池的時候,任何流進該元件的洩漏電流將永久性地消耗電池的能量,而這將降低待機時間,這對終端用戶來說是不可接受的。不管其他電源有沒有被啟動,流進這一電源的低洩漏電流是肯定要消耗的。

 
圖7:揚聲器驅動器上的低洩漏電流




信號提升 --- 為了在攜帶型應用的揚聲器上實現盡可能高的音量級別,必須利用揚聲器電源的全部動態範圍。由於揚聲器驅動器輸入端的信號來自由不同(更低)電源電壓供電的電路,因此如果不將其增益再提高一些,揚聲器上的信號幅度將不可能達到最大值。為了避免波形被削波,還需要進行共模電平變換工作。許多解決方案使用外部揚聲器驅動器(這需要另外的無源元件)來設定這些AC和DC增益值,但其他一些元件(如WM8960)整合了揚聲器驅動器和附加的增益級,從而同時節省了空間和成本。

 
圖8:外部揚聲器驅動器:更多的元件數

 
圖9:內部信號提升以最大化揚聲器音量

D類揚聲器驅動器──揚聲器驅動器使用的技術到目前為止是影響總體效率的最大因素。AB類揚聲器驅動器通常本身消耗的功率要大於它們傳送到揚聲器上的功率,這降低了電池壽命並可能會導致元件本身過熱。

例如,一個每通道提供1W功率的效率為40%的身歷聲AB類揚聲器驅動器至少需要從電池中消耗5W的功率,其中3W轉變成熱在該元件上耗散掉。在一些應用中,所有其他與音頻相關的功率消耗與此相比要低兩個數量級,這使得揚聲器驅動器成為低效率和不必要電池功率消耗的主要源頭。

 
圖10:AB類揚聲器驅動器:降低的電池壽命和潛在的過熱

D類揚聲器驅動器正越來越多地用於提升效率、延長電池壽命和簡化熱管理問題,過多熱量會限制設備功能和增加成本。

 
圖11:D類揚聲器放大器:提升的效率

在支援電影重播、遊戲或其他多媒體功能的攜帶型應用中,揚聲器需要在一段很長的時間內保持工作狀態,D類技術在延長電池壽命方面是非常有效的。即便是直到最近揚聲器的工作時間(如在播放鈴聲時)還一直相對較短的手機,現在也開始支援揚聲器和多媒體流功能,這些功能需要更長時間地使用揚聲器驅動器。因此,D類放大器在手機設計中正越來越多地取代AB類放大器。

爆裂聲和滴答聲抑制 --- 在音頻電路設置期間產生的聽得見的爆裂聲和滴答聲會降低用戶的使用體驗,而且在系統開發期間常常也花費巨大的努力去消除這些噪音。整合了爆裂聲和滴答聲抑制電路的音頻集線器元件能夠進一步縮短開發時間和提高能感知到的音質。有趣的是,免受爆裂聲、滴答聲和其他不愉快噪音的高質量音頻也具有提高視頻圖像質量的效果。

結語
經過精心設計的音頻集線器元件能夠以更小的形狀因數和更長的電池壽命為用戶提供Hi-Fi音頻和更多的手機功能。對手機設計師來說,易用性、更少的元件數和靈活的電源管理性能等額外的好處是採用這些元件的主要依據。

D類放大器技術在延長攜帶型多媒體設備的電池壽命方面是非常有效的,它允許新的功能(如遊戲和TV流)工作更長時間。高級別的矽整合度提供了更小的PCB面積和元件數的明顯好處,但隨著Hi-Fi音頻變得更加重要,以前對僅設計用於語音通信的手機來說優先順序不是很高的其他挑戰,現在也必須加以解決。

更高的整合度可為終端用戶提供真實的好處,但必須一直保持對音質的關注。混合信號設計師必須在整條信號鏈上維持音質,並牢記手機電池的局限性。憑藉良好的設計,一個更佳的音頻體驗不一定會產生額外的功耗或要付出很多附加元件的代價。

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