移动电话的低功耗和高音频质量设计方案

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移动电话的低功耗和高音频质量设计方案

在今天的移动电话市场中,无论是苹果新推出来的iPhone,还是摩托罗拉、诺基亚和三星等领先制造商的相关产品,都显示出了音乐回放和音频品质在移动电话设计中的重要性。更高的音频质量和更大功率的扬声器,不仅要求系统带有更先进的数据转化器,而且给以锂电池为电源的设计带来了巨大的挑战,这需要欧胜提出了采用“音频中心(audio hub)”的设计思路,来帮助移动电话设计师解决这些问题,并降低成本和简化系统设计。


高品质音频的机遇与挑战
在传统的移动电话设计中,仅需要一个单声道的扬声器来播放铃声,它可能每隔几小时才需要播放几秒钟。但最新型号的多媒体移动电话可能支持电影回放、移动电视、游戏和其它多媒体功能,并在系统的设计中开始采用立体声扬声器,所以系统的设计不仅要考虑音频转换器,而且还需要将低功耗技术与之实现结合。

但是,立体声扬声器要求的电能是单声道扬声器的两倍,而且需要在一个很长的时间段内一直保持工作状态。一个持续10分钟的电影片断在立体声扬声器上消耗的电池能量是10秒单声道铃声的120倍。现在的消费者也在期望更高的音量,1W输出功率的扬声器现在已是相当典型的要求,而这对电池能量提出了更高的需求。

在手机上增加功能通常要增加电路,在手机体积不断缩小的今天,这意味着留给电池的空间比以往任何时候都要小。由于要求在使用尽可能小的电池的同时在手机上增加更多的非常耗电的音频特性,手机设计师不得不仔细地检讨手机上每一个耗电的原因和低效率问题,以在每一个可能的地方节省电池能量。这一对更长电池寿命的要求正在推动采用D类功放技术的趋势,D类功放能够消除音频电路中最大的低效率源。

不断缩小的整机尺寸也正在推动混合信号音频功能的集成,但这一集成也带来了新的挑战,因为既要改善音频质量,又不能增加功耗或要求额外的外部元件(如稳压器或无源元件)。新一代‘音频中心’器件正在逐步解决这一复杂的设计难题,同时解决了改善音频质量、将工作和待机模式时的功耗降到最低、并缩小PCB面积和元器件数量。


音频中心应运而生
移动电话等便携式多媒体设备通常含有一些采用不同数据格式的模拟和数字音源,这些音频流在通过不同的变换器(如小功率扬声器、大功率扬声器和耳机)输出到真实世界之前必须进行转换和适当的混合。为了节省空间、削减成本和降低设计复杂性,将这些音频处理功能全部集中到一个器件(即‘音频中心’)上肯定是有益的。

数字数据源也能以不同的数据格式、字长和样本速率存在。由于电话使用模式通常仅要求音频中心处理单声道8kHz PCM格式数据,因此集成数字音乐回放功能要求音频中心器件处理不同的样本速率、字长和数据格式(如立体声16位44.1kHz I2S数据)。音频中心上一个灵活的数字音频接口和时钟方案再加上Hi-Fi质量的数据转换器,可使得在手机上实现数字音乐播放功能不再需要额外的混合信号元件。

音频中心必须能够连接具有不同幅度、源阻抗、DC偏置和带宽的模拟信号,如FM接收机、麦克风、发送/接收语音数据、铃声或Hi-Fi线路输入。灵活的输入配置能够为在不同系统架构中的这些不同信号特性提供支持,而且同时最小化引脚数、节省空间和降低成本。

在音频中心的模拟域中混合能够消除样本速率转换困难,而且灵活的混合通道能够促成新的应用特性的出现。像WM8983和WM8985这样的器件允许对麦克风输入、数字音乐、FM接收器和接收的语音数据进行任意的混合,并提供重新数字化这一混合音频的功能,这可促成如卡拉OK录制等功能的实现。


音频中心的节能电源设计
上述的信号链上针对各音频功能的电源要求是音频中心器件中最不同的,一般有3到4个独立的电源域,每个域都有自己独特的电压/电流要求和噪声特性。音频中心器件需要进行非常小心的设计才能在这些电源的不同局限下工作。在不牺牲音频信号质量的前提下将功耗降至最低,是在合理降低电池寿命的前提下为便携式设计提供Hi-Fi质量音乐的关键,每个电源域必须使用不同的省电技术。

由于降低数字部分电源电压不会影响音频质量,数字内核将采用尽可能低的电压以节省电能。使用这些低电压的DC/DC转换器与线性稳压器相比可大幅提高功率转换效率,DC/DC转换器的高频率开关引起的电源纹波可以更容易地采用数字电路来加以抑制,而一个模拟块需要一个稳定的电源电压来使得噪声水平尽可能地低。

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以类似的方法,采用低电压的数字I/O缓冲器电源将消耗更少的功率,而且音频质量将不会受到影响,尽管由于一些实际的原因这一电源电压有时要高于数字内核的电源电压(例如,为了保持相互通信的器件之间的信令电压水平的一致)。

而与数字功能不同,模拟信号处理元件(如ADC、DAC、混频器、放大器和麦克风接口)对噪声非常敏感。信噪比可通过提高模拟电源电压而改善,但代价是功耗增加了。系统设计师必须根据他们自己的音频质量和功耗目标做出合理的折衷。

维持一个稳定而干净的模拟电源对预防电源噪声降低音频质量也很重要。尽管良好的设计和差分技术能够改善电源抑制比(PSRR),但通常采用一个高PSRR的线性稳压器为音频中心上的模拟电路供电。在稳压器的输出电压和最小输入电压之间有一个足够的裕量也很重要,这可在电池放电时维持高的PSRR水平。在便携式音频应用中2.7V和3.0V之间的模拟电压是相当典型的。

音频中心上模拟电路省电的最有效策略是提供灵活和粒状电源管理控制,从而那些对某一给定的应用情景而言不是必要的电路就可以被关掉。例如,大多数音频中心至少在片上有2个ADC和2个DAC,但语音录制功能仅需要使用一个ADC,PCM语音通话需要一个ADC和一个DAC,MP3播放需要使用两个DAC。

只要在某个特别的电路里有功耗和音频质量折衷问题,就可以采用低功耗模式,这样当质量要求降低时(如在语音通信时),性能也可以适当地降低以节省电力。随着音频中心器件复杂性不断增长以匹配不断增加的手机性能,可能的器件配置数量也在增长,不同块的低级别控制变得必要起来以避免浪费功率。


高品质数据转换器与D类驱动器相结合
传统的AB类扬声器驱动器通常本身消耗的功率要大于它们传送到扬声器上的功率,这降低了电池寿命并可能会导致器件本身过热。D类扬声器驱动器—— 扬声器驱动器使用的技术到目前为止是影响总体效率的最大因素。

例如,一个每通道提供1W功率的效率为40%的立体声AB类扬声器驱动器至少需要从电池中消耗5W的功率,其中3W转变成热在该器件上耗散掉。在一些应用中,所有其它与音频相关的功率消耗与此相比要低两个数量级,这使得扬声器驱动器成为低效率和不必要电池功率消耗的主要源头。D类扬声器驱动器正越来越多地用于提升效率、延长电池寿命和简化热管理问题,过多热量会限制设备功能和增加成本。

在支持电影回放、游戏或其它多媒体功能的便携式应用中,扬声器需要在一段很长的时间内保持工作状态,D类技术在延长电池寿命方面是非常有效的。即便是直到最近扬声器的工作时间(如在播放铃声时)还一直相对较短的手机,现在也开始支持扬声器和多媒体流功能,这些功能需要更长时间地使用扬声器驱动器。因此,D类放大器在手机设计中正越来越多地取代AB类放大器。

爆裂声和滴答声抑制——在音频电路设置期间产生的听得见的爆裂声和滴答声会降低用户的使用体验,而且在系统开发期间常常也花费巨大的努力去消除这些噪音。集成了爆裂声和滴答声抑制电路的音频中心器件能够进一步缩短开发时间和提高能感知到的音频质量。有趣的是,免受爆裂声、滴答声和其它不愉快噪音的高质量音频也具有提高视频图像质量的效果。


总结
经过精心设计的音频中心器件能够将数据转换器和电源管理等功能集成在一起,以更小的形状因子和更长的电池寿命为用户提供Hi-Fi音频和更多的手机功能。对手机设计师来说,易用性、更少的元件数和灵活的电源管理性能等额外的好处是采用这些器件的主要依据。

通过高品质音频编码解码器与D类放大器技术相结合,在延长便携式多媒体设备的电池寿命方面是非常有效的,它允许新的功能(如游戏和TV流)工作更长时间。高级别的硅集成度提供了更小的PCB面积和元器件数的明显好处,但随着Hi-Fi音频变得更加重要,以前对仅设计用于语音通信的手机来说优先级不是很高的其它挑战,现在也必须加以解决。

更高的集成度可为终端用户提供真实的好处,但必须一直保持对音频质量的关注。混合信号设计师必须在整条信号链上维持音频质量,并牢记手机电池的局限性。凭借良好的设计,一个更佳的音频体验不一定会产生额外的功耗或要付出很多附加元件的代价。

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