差異化模擬產(chǎn)品在智能手機(jī)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

近年來，便攜式產(chǎn)品越來越多地采用多源設(shè)計(jì)，諸如手機(jī)和其它便攜產(chǎn)品要求加入更多功能，如圖像、視頻、電子郵件、短信以及互聯(lián)網(wǎng)接入。這對(duì)手機(jī)信號(hào)傳輸?shù)膸挕㈦姵氐男?、EMI要求越來越嚴(yán)格，因此對(duì)音頻芯片、USB接口芯片以及高效低成本背光驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)要求相應(yīng)提高。本文從實(shí)際應(yīng)用的角度，詳細(xì)闡述了高速USB系列產(chǎn)品和大功率功放在智能手機(jī)中的具體應(yīng)用，以及在設(shè)計(jì)端面臨的困擾。在推薦差異化產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足市場(chǎng)需求的同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品的核心參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響做一個(gè)全面的討論。

圖1為目前市場(chǎng)主流的智能手機(jī)設(shè)計(jì)架構(gòu)。下面將從三個(gè)方面來討論系統(tǒng)基帶設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及相關(guān)產(chǎn)品的核心指標(biāo)：高速USB2.0開關(guān)選型和布線的要求;LED背光驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型的要求;音頻系統(tǒng)的功放設(shè)計(jì)和EMI設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)和解決方案。

2.USB 2.0信號(hào)鏈路解決方案

大多數(shù)智能手機(jī)的基帶處理芯片帶有高速USB 2.0(480Mbps)的接口，與外界主機(jī)(通常為個(gè)人電腦)相連，用于音視頻的上下載。同時(shí)基帶配有UART接口用于設(shè)備的檢修以及調(diào)試。在智能手機(jī)設(shè)計(jì)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(guān)在設(shè)計(jì)中尤為關(guān)鍵。如果帶寬不夠往往會(huì)導(dǎo)致USB 2.0外設(shè)檢測(cè)出現(xiàn)不識(shí)別的情況。因?yàn)閁SB 2.0的測(cè)試對(duì)信號(hào)眼圖有嚴(yán)格的近端和遠(yuǎn)端眼圖兼容測(cè)試要求，所以鏈路上的寄生電容尤為關(guān)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(guān)的導(dǎo)通電容，外接ESD保護(hù)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(shè)計(jì)完成，就基本上固定不變。這時(shí)選用高ESD等級(jí)的高帶寬USB開關(guān)將非常重要。為降低高速信號(hào)的反射，布線時(shí)USB開關(guān)盡量不要放在USB輸出和接口的中間，同時(shí)數(shù)據(jù)線D+和D-應(yīng)盡量減少過孔，保持?jǐn)?shù)據(jù)線路上差分阻抗在100ohm(上下10%)，以最優(yōu)化信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴?/p>

帝奧微電子(Dioo Microcircuits)推出的帶寬大于1GHz(工業(yè)領(lǐng)域絕大多數(shù)帶寬小于720MHz)的USB高速2.0開關(guān)不但通過USB 2.0兼容性測(cè)試，同時(shí)ESD(HBM)達(dá)到8KV(工業(yè)領(lǐng)域大多數(shù)4KV)，CDM達(dá)到2KV，可以去除數(shù)據(jù)線上外掛的ESD保護(hù)功能，大幅減小寄生電容，同時(shí)降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。圖2為DIO3212的USB 2.0近端眼圖兼容性測(cè)試結(jié)果(要求比遠(yuǎn)端更為嚴(yán)格)。

3.高效低成本LED背光設(shè)計(jì)

由于絕大多數(shù)智能手機(jī)采用3英寸或4英寸以上的平板設(shè)計(jì)，背光LED需要6顆甚至8顆LED燈。以每通道20mA為例，LED驅(qū)動(dòng)電流將高達(dá)120mA或160mA，若考慮到LED燈本身的壓降和恒流源架構(gòu)的電壓損耗，超低閾值的電荷泵檢測(cè)電路對(duì)系統(tǒng)電源效率顯得尤其重要，這樣也可以避免芯片內(nèi)部的電荷泵頻繁啟動(dòng)，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(shè)計(jì)的核心指標(biāo)(3%)。建議客戶在選用大電流輸出的LED驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，選用小于200mV的充電泵啟動(dòng)閥值，基于一線調(diào)光模式的LED驅(qū)動(dòng)芯片。

帝奧微電子的DIO5056是一款6路1倍/2倍電荷泵自適應(yīng)白光LED驅(qū)動(dòng)器。電源電壓范圍2.7V至5.5V，支持16步脈沖計(jì)數(shù)線性調(diào)光，采用創(chuàng)新技術(shù)保證典型情況通道間電流相對(duì)匹配精度小于3%，同時(shí)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(hù)、短路保護(hù)、開路保護(hù)、過溫保護(hù)等功能。芯片關(guān)機(jī)電流在100nA以下。另外，DIO5056采用QFN16封裝，減小了PCB板設(shè)計(jì)難度，縮減了應(yīng)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(jī)的普及，智能手機(jī)對(duì)語音功放的要求又上了一個(gè)新的臺(tái)階。普通的基于AB類和D類的語音功放已經(jīng)無法適應(yīng)市場(chǎng)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(shí)無法提供超越電池電壓要求的功率?；谑袌?chǎng)需求和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，小封裝大輸出能力，且?guī)в凶詣?dòng)增益調(diào)節(jié)(AGC)的防破音處理能力的高效語音功放是市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，與此同時(shí)，低EMI輻射的架構(gòu)設(shè)計(jì)將尤為重要。很多情況下客戶在注重EMI性能的同時(shí)，忽略了諧波失真(THD)指標(biāo)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(shè)計(jì)架構(gòu)會(huì)導(dǎo)致功放THD等性能的降低。結(jié)合以上設(shè)計(jì)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(gòu)的防破音語音功放是市場(chǎng)發(fā)展的必然需求。

帝奧微電子的DIO2160具有高達(dá)28dB輸出的自動(dòng)增益(AGC)調(diào)節(jié)回路，以及8KV的ESD保護(hù)，是目前市場(chǎng)上最大功率輸出而封裝最小的K類功放產(chǎn)品(3mm×3mm的16腳 QFN封裝)，相比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品4mm×4mm的尺寸減小43%，大幅降低了終端客戶的PCB面積和設(shè)計(jì)成本。

5.本文小結(jié)

在智能手機(jī)向越來越大的屏幕尺寸，越來越高的功率輸出和數(shù)據(jù)吞吐處理能力需求發(fā)展的同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)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(yán)格。本文通過對(duì)智能手機(jī)基帶設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，提供了一套低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本、高性能的整體解決方案，有利于終端客戶的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的降低，從而加速新品的上市。