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[導讀]本文從實際應用的角度,詳細闡述了高速USB系列產品和大功率功放在智能手機中的具體應用,以及在設計端面臨的困擾。在推薦差異化產品設計滿足市場需求的同時,對產品的核心參數對系統(tǒng)的影響做一個全面的討論。

近年來,便攜式產品越來越多地采用多源設計,諸如手機和其它便攜產品要求加入更多功能,如圖像、視頻、電子郵件、短信以及互聯網接入。這對手機信號傳輸的帶寬、電池的效率、EMI要求越來越嚴格,因此對音頻芯片、USB接口芯片以及高效低成本背光驅動芯片的設計要求相應提高。本文從實際應用的角度,詳細闡述了高速USB系列產品和大功率功放智能手機中的具體應用,以及在設計端面臨的困擾。在推薦差異化產品設計滿足市場需求的同時,對產品的核心參數對系統(tǒng)的影響做一個全面的討論。

  圖1為目前市場主流的智能手機設計架構。下面將從三個方面來討論系統(tǒng)基帶設計要點以及相關產品的核心指標:高速USB2.0開關選型和布線的要求;LED背光驅動電路的系統(tǒng)設計與選型的要求;音頻系統(tǒng)的功放設計和EMI設計方面的挑戰(zhàn)和解決方案。

  

 

  2.USB 2.0信號鏈路解決方案

  大多數智能手機的基帶處理芯片帶有高速USB 2.0(480Mbps)的接口,與外界主機(通常為個人電腦)相連,用于音視頻的上下載。同時基帶配有UART接口用于設備的檢修以及調試。在智能手機設計中,往往采用5腳的超薄型USB 2.0迷你接口,因而選用高帶寬的USB 2.0開關在設計中尤為關鍵。如果帶寬不夠往往會導致USB 2.0外設檢測出現不識別的情況。因為USB 2.0的測試對信號眼圖有嚴格的近端和遠端眼圖兼容測試要求,所以鏈路上的寄生電容尤為關鍵。

  USB 2.0鏈路上的寄生電容包括基帶處理器USB輸出口D+/D-上的輸出電容,USB 2.0開關的導通電容,外接ESD保護裝置的寄生電容(通常大于1pf),以及連接器的接觸電容。由于輸出電容和接觸電容是較為固定的,一旦設計完成,就基本上固定不變。這時選用高ESD等級的高帶寬USB開關將非常重要。為降低高速信號的反射,布線時USB開關盡量不要放在USB輸出和接口的中間,同時數據線D+和D-應盡量減少過孔,保持數據線路上差分阻抗在100ohm(上下10%),以最優(yōu)化信號傳輸的完整性。

  帝奧微電子(Dioo Microcircuits)推出的帶寬大于1GHz(工業(yè)領域絕大多數帶寬小于720MHz)的USB高速2.0開關不但通過USB 2.0兼容性測試,同時ESD(HBM)達到8KV(工業(yè)領域大多數<4KV),CDM達到2KV,可以去除數據線上外掛的ESD保護功能,大幅減小寄生電容,同時降低系統(tǒng)設計成本。圖2為DIO3212的USB 2.0近端眼圖兼容性測試結果(要求比遠端更為嚴格)。

  

3.高效低成本LED背光設計

 

  由于絕大多數智能手機采用3英寸或4英寸以上的平板設計,背光LED需要6顆甚至8顆LED燈。以每通道20mA為例,LED驅動電流將高達120mA或160mA,若考慮到LED燈本身的壓降和恒流源架構的電壓損耗,超低閾值的電荷泵檢測電路對系統(tǒng)電源效率顯得尤其重要,這樣也可以避免芯片內部的電荷泵頻繁啟動,有效降低了系統(tǒng)的EMI(通常通過外部管腳散發(fā),影響系統(tǒng)音頻通話)。通路間的LED輸出電流匹配也是系統(tǒng)設計的核心指標(<3%)。建議客戶在選用大電流輸出的LED驅動芯片時,選用小于200mV的充電泵啟動閥值,基于一線調光模式的LED驅動芯片。

  帝奧微電子的DIO5056是一款6路1倍/2倍電荷泵自適應白光LED驅動器。電源電壓范圍2.7V至5.5V,支持16步脈沖計數線性調光,采用創(chuàng)新技術保證典型情況通道間電流相對匹配精度小于3%,同時具有很低的電荷泵開啟閾值電壓(如圖3所示)。芯片還包括了過流保護、短路保護、開路保護、過溫保護等功能。芯片關機電流在100nA以下。另外,DIO5056采用QFN16封裝,減小了PCB板設計難度,縮減了應用成本和開發(fā)周期。

  

 

  低EMI、低諧波失真語音功放選擇

  隨著游戲和高保真音樂手機的普及,智能手機對語音功放的要求又上了一個新的臺階。普通的基于AB類和D類的語音功放已經無法適應市場的需求。前者偏低的效率以及熱性能無法滿足大功率輸出(2W以上)的要求,后者在電池供電時無法提供超越電池電壓要求的功率?;谑袌鲂枨蠛驮O計挑戰(zhàn),小封裝大輸出能力,且?guī)в凶詣釉鲆嬲{節(jié)(AGC)的防破音處理能力的高效語音功放是市場發(fā)展的必然趨勢,與此同時,低EMI輻射的架構設計將尤為重要。很多情況下客戶在注重EMI性能的同時,忽略了諧波失真(THD)指標以及217Hz的抗干擾能力,特別是在大于1W的輸出功率的情況下的失真。通常過低的EMI輻射設計架構會導致功放THD等性能的降低。結合以上設計的挑戰(zhàn),選用一款低電磁輻射、高效、低諧波失真的大功率D類架構的防破音語音功放是市場發(fā)展的必然需求。

  

 

  帝奧微電子的DIO2160具有高達28dB輸出的自動增益(AGC)調節(jié)回路,以及8KV的ESD保護,是目前市場上最大功率輸出而封裝最小的K類功放產品(3mm×3mm的16腳 QFN封裝),相比競爭產品4mm×4mm的尺寸減小43%,大幅降低了終端客戶的PCB面積和設計成本。

  5.本文小結

  在智能手機向越來越大的屏幕尺寸,越來越高的功率輸出和數據吞吐處理能力需求發(fā)展的同時,系統(tǒng)對于高效率、低電磁輻射、小而薄的封裝以及魯棒的ESD性能要求越來越嚴格。本文通過對智能手機基帶設計的挑戰(zhàn)進行分析,提供了一套低系統(tǒng)設計成本、高性能的整體解決方案,有利于終端客戶的新產品設計周期的降低,從而加速新品的上市。

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