移動電話的低功耗和高音頻質(zhì)量設(shè)計方案

　　在今天的移動電話市場中，無論是小米，還是蘋果，三星等領(lǐng)先制造商的相關(guān)產(chǎn)品，都顯示出了音樂回放和音頻品質(zhì)在移動電話設(shè)計中的重要性。更高的音頻質(zhì)量和更大功率的揚聲器，不僅要求系統(tǒng)帶有更先進的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器，而且給以鋰電池為電源的設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)，這需要歐勝提出了采用“音頻中心（audio hub）”的設(shè)計思路，來幫助移動電話設(shè)計師解決這些問題，并降低成本和簡化系統(tǒng)設(shè)計。

　　高品質(zhì)音頻的機遇與挑戰(zhàn)

　　在傳統(tǒng)的移動電話設(shè)計中，僅需要一個單聲道的揚聲器來播放鈴聲，它可能每隔幾小時才需要播放幾秒鐘。但最新型號的多媒體移動電話可能支持電影回放、移動電視、游戲和其它多媒體功能，并在系統(tǒng)的設(shè)計中開始采用立體聲揚聲器，所以系統(tǒng)的設(shè)計不僅要考慮音頻轉(zhuǎn)換器，而且還需要將低功耗技術(shù)與之實現(xiàn)結(jié)合。

　　但是，立體聲揚聲器要求的電能是單聲道揚聲器的兩倍，而且需要在一個很長的時間段內(nèi)一直保持工作狀態(tài)。一個持續(xù)10分鐘的電影片斷在立體聲揚聲器上消耗的電池能量是10秒單聲道鈴聲的120倍?，F(xiàn)在的消費者也在期望更高的音量，1W輸出功率的揚聲器現(xiàn)在已是相當?shù)湫偷囊?，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。由于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(shè)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(jié)省電池能量。這一對更長電池壽命的要求正在推動采用D類功放技術(shù)的趨勢，D類功放能夠消除音頻電路中最大的低效率源。

　　不斷縮小的整機尺寸也正在推動混合信號音頻功能的集成，但這一集成也帶來了新的挑戰(zhàn)，因為既要改善音頻質(zhì)量，又不能增加功耗或要求額外的外部元件（如穩(wěn)壓器或無源元件）。新一代‘音頻中心’器件正在逐步解決這一復雜的設(shè)計難題，同時解決了改善音頻質(zhì)量、將工作和待機模式時的功耗降到最低、并縮小PCB面積和元器件數(shù)量。

　　音頻中心應(yīng)運而生

　　移動電話等便攜式多媒體設(shè)備通常含有一些采用不同數(shù)據(jù)格式的模擬和數(shù)字音源，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(zhuǎn)換和適當?shù)幕旌?。為了?jié)省空間、削減成本和降低設(shè)計復雜性，將這些音頻處理功能全部集中到一個器件（即‘音頻中心’）上肯定是有益的。

　　數(shù)字數(shù)據(jù)源也能以不同的數(shù)據(jù)格式、字長和樣本速率存在。由于電話使用模式通常僅要求音頻中心處理單聲道8kHz PCM格式數(shù)據(jù)，因此集成數(shù)字音樂回放功能要求音頻中心器件處理不同的樣本速率、字長和數(shù)據(jù)格式（如立體聲16位44.1kHz I2S數(shù)據(jù)）。音頻中心上一個靈活的數(shù)字音頻接口和時鐘方案再加上Hi-Fi質(zhì)量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，可使得在手機上實現(xiàn)數(shù)字音樂播放功能不再需要額外的混合信號元件。

　　音頻中心必須能夠連接具有不同幅度、源阻抗、DC偏置和帶寬的模擬信號，如FM接收機、麥克風、發(fā)送/接收語音數(shù)據(jù)、鈴聲或Hi-Fi線路輸入。靈活的輸入配置能夠為在不同系統(tǒng)架構(gòu)中的這些不同信號特性提供支持，而且同時最小化引腳數(shù)、節(jié)省空間和降低成本。

　　在音頻中心的模擬域中混合能夠消除樣本速率轉(zhuǎn)換困難，而且靈活的混合通道能夠促成新的應(yīng)用特性的出現(xiàn)。像WM8983和WM8985這樣的器件允許對麥克風輸入、數(shù)字音樂、FM接收器和接收的語音數(shù)據(jù)進行任意的混合，并提供重新數(shù)字化這一混合音頻的功能，這可促成如卡拉OK錄制等功能的實現(xiàn)。

　　音頻中心的節(jié)能電源設(shè)計

　　上述的信號鏈上針對各音頻功能的電源要求是音頻中心器件中最不同的，一般有3到4個獨立的電源域，每個域都有自己獨特的電壓/電流要求和噪聲特性。音頻中心器件需要進行非常小心的設(shè)計才能在這些電源的不同局限下工作。在不犧牲音頻信號質(zhì)量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便攜式設(shè)計提供Hi-Fi質(zhì)量音樂的關(guān)鍵，每個電源域必須使用不同的省電技術(shù)。

　　由于降低數(shù)字部分電源電壓不會影響音頻質(zhì)量，數(shù)字內(nèi)核將采用盡可能低的電壓以節(jié)省電能。使用這些低電壓的DC/DC轉(zhuǎn)換器與線性穩(wěn)壓器相比可大幅提高功率轉(zhuǎn)換效率，DC/DC轉(zhuǎn)換器的高頻率開關(guān)引起的電源紋波可以更容易地采用數(shù)字電路來加以抑制，而一個模擬塊需要一個穩(wěn)定的電源電壓來使得噪聲水平盡可能地低。

　　以類似的方法，采用低電壓的數(shù)字I/O緩沖器電源將消耗更少的功率，而且音頻質(zhì)量將不會受到影響，盡管由于一些實際的原因這一電源電壓有時要高于數(shù)字內(nèi)核的電源電壓（例如，為了保持相互通信的器件之間的信令電壓水平的一致）。

　　而與數(shù)字功能不同，模擬信號處理元件（如ADC、DAC、混頻器、放大器和麥克風接口）對噪聲非常敏感。信噪比可通過提高模擬電源電壓而改善，但代價是功耗增加了。系統(tǒng)設(shè)計師必須根據(jù)他們自己的音頻質(zhì)量和功耗目標做出合理的折衷。

　　維持一個穩(wěn)定而干凈的模擬電源對預防電源噪聲降低音頻質(zhì)量也很重要。盡管良好的設(shè)計和差分技術(shù)能夠改善電源抑制比（PSRR），但通常采用一個高PSRR 的線性穩(wěn)壓器為音頻中心上的模擬電路供電。在穩(wěn)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。在便攜式音頻應(yīng)用中2.7V和3.0V之間的模擬電壓是相當?shù)湫偷摹?/p>

　　音頻中心上模擬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(yīng)用情景而言不是必要的電路就可以被關(guān)掉。例如，大多數(shù)音頻中心至少在片上有2個ADC和2個DAC，但語音錄制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里有功耗和音頻質(zhì)量折衷問題，就可以采用低功耗模式，這樣當質(zhì)量要求降低時（如在語音通信時），性能也可以適當?shù)亟档鸵怨?jié)省電力。隨著音頻中心器件復雜性不斷增長以匹配不斷增加的手機性能，可能的器件配置數(shù)量也在增長，不同塊的低級別控制變得必要起來以避免浪費功率。

　　高品質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與D類驅(qū)動器相結(jié)合

　　傳統(tǒng)的AB類揚聲器驅(qū)動器通常本身消耗的功率要大于它們傳送到揚聲器上的功率，這降低了電池壽命并可能會導致器件本身過熱。D類揚聲器驅(qū)動器—— 揚聲器驅(qū)動器使用的技術(shù)到目前為止是影響總體效率的最大因素。

　　例如，一個每通道提供1W功率的效率為40%的立體聲AB類揚聲器驅(qū)動器至少需要從電池中消耗5W的功率，其中3W轉(zhuǎn)變成熱在該器件上耗散掉。在一些應(yīng)用中，所有其它與音頻相關(guān)的功率消耗與此相比要低兩個數(shù)量級，這使得揚聲器驅(qū)動器成為低效率和不必要電池功率消耗的主要源頭。D類揚聲器驅(qū)動器正越來越多地用于提升效率、延長電池壽命和簡化熱管理問題，過多熱量會限制設(shè)備功能和增加成本。

　　在支持電影回放、游戲或其它多媒體功能的便攜式應(yīng)用中，揚聲器需要在一段很長的時間內(nèi)保持工作狀態(tài)，D類技術(shù)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(xiàn)在也開始支持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(qū)動器。因此，D 類放大器在手機設(shè)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(shè)置期間產(chǎn)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(tǒng)開發(fā)期間常常也花費巨大的努力去消除這些噪音。集成了爆裂聲和滴答聲抑制電路的音頻中心器件能夠進一步縮短開發(fā)時間和提高能感知到的音頻質(zhì)量。有趣的是，免受爆裂聲、滴答聲和其它不愉快噪音的高質(zhì)量音頻也具有提高視頻圖像質(zhì)量的效果。

　　總結(jié)

　　經(jīng)過精心設(shè)計的音頻中心器件能夠?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和電源管理等功能集成在一起，以更小的形狀因子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(shè)計師來說，易用性、更少的元件數(shù)和靈活的電源管理性能等額外的好處是采用這些器件的主要依據(jù)。

　　通過高品質(zhì)音頻編碼解碼器與D類放大器技術(shù)相結(jié)合，在延長便攜式多媒體設(shè)備的電池壽命方面是非常有效的，它允許新的功能（如游戲和TV流）工作更長時間。高級別的硅集成度提供了更小的PCB面積和元器件數(shù)的明顯好處，但隨著Hi-Fi音頻變得更加重要，以前對僅設(shè)計用于語音通信的手機來說優(yōu)先級不是很高的其它挑戰(zhàn)，現(xiàn)在也必須加以解決。

　　更高的集成度可為終端用戶提供真實的好處，但必須一直保持對音頻質(zhì)量的關(guān)注?；旌闲盘栐O(shè)計師必須在整條信號鏈上維持音頻質(zhì)量，并牢記手機電池的局限性。憑借良好的設(shè)計，一個更佳的音頻體驗不一定會產(chǎn)生額外的功耗或要付出很多附加元件的代價。