超級電容提高移動電話的音頻質(zhì)量和電源性能

　　本文將討論有關(guān)為帶音樂功能的手機(jī)提供大功率和高質(zhì)量音頻的問題，并介紹超級電容(supercapacitor)如何能克服這些問題。這種超級電容還可以在不犧牲手機(jī)超薄外形的優(yōu)勢條件下實現(xiàn)大功率LED閃光攝影功能。

　　在問題展開討論之前，先介紹一下超級電容及其在電源管理中扮演的角色。超級電容填補(bǔ)了電池和普通電容之間的功率空隙，它能提供比電池更高的觸發(fā)功率，并能比普通電容存儲更多的能量。超級電容可以為峰值功率事件(如GSM/GPRS射頻突發(fā)發(fā)送、GPS數(shù)據(jù)讀取、音樂播放、閃光照相和視頻播放)提供所需的觸發(fā)功率，然后接受電池的再充電。其好處包括延長通話時間、延長電池壽命、閃光更亮以及音樂質(zhì)量更佳。設(shè)計師還可以藉此節(jié)省空間和成本，因為他們只需要考慮滿足平均功耗的電池和電源電路即可，不必關(guān)注峰值負(fù)載。

　　目前音樂手機(jī)設(shè)計中的音頻質(zhì)量和功率問題

　　目前的移動電話通常使用D類音頻放大器。這些放大器在一個H橋電路中采用了兩對FET來控制揚聲器線圈。配置如圖1所示。Q1&Q4導(dǎo)通和Q2&Q3關(guān)斷時向一個方向驅(qū)動揚聲器線圈，Q1&Q4關(guān)斷和Q2&Q3導(dǎo)通

　　時向相反方向驅(qū)動線圈。該電路的電源一般是3.6V的電池。帶立體聲音頻的手機(jī)有一對放大器和揚聲器。對8Ω的揚聲器來說，最大音頻功率= 3.6V2/8Ω = 1.6W，或立體聲時為3.2W。在峰值立體聲音頻功率下的電池電流=3.2W/3.6V = 0.9A。因此這種情況下的音頻播放可能會受到功率限制、失真和干擾的影響。

　　問題1：電池?zé)o法同時滿足無線數(shù)據(jù)發(fā)送和音頻放大器產(chǎn)生的峰值功率要求，結(jié)果將導(dǎo)致失真。

　　當(dāng)用戶用GSM/GPRS/EDGE手機(jī)欣賞音樂時，手機(jī)電池將無法同時提供峰值音頻電流和峰值射頻發(fā)射功率來響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訪問。網(wǎng)絡(luò)會周期性地訪問手機(jī)以跟蹤手機(jī)位于哪個蜂窩，并確定手機(jī)應(yīng)該使用的發(fā)射功率。這種網(wǎng)絡(luò)訪問期間，在手機(jī)響應(yīng)時音頻放大器供電可能會下降，此時用戶會聽到一聲“喀噠聲”。不過，電池能夠輕松提供約100mA到200mA的平均音頻電流。

　　問題2：當(dāng)峰值電池電流超過1A時會產(chǎn)生音頻噪聲/嗡嗡聲，這將在音頻放大器電源電壓上產(chǎn)生明顯的紋波。

　　如果電池組+連接器+PCB走線的總阻抗等于150mΩ，那么1A的峰值電流將在電源電壓上產(chǎn)生150mV的紋波,1.8A的峰值電流產(chǎn)生270mV的紋波。電源電壓中的這種紋波將給聽者帶來音頻噪聲。GSM/GPRS/EDGE發(fā)射時的峰值電流高達(dá)1.8A，因此也會產(chǎn)生音頻噪聲，在通話時用戶會聽到217Hz的嗡嗡聲。

　　問題3：CDMA、GSM&3G手機(jī)中有限的音頻功率和最差的低音響應(yīng)。

　　不管是什么型號的手機(jī)，其音頻能力和質(zhì)量都取決于音頻放大器的輸出功率和揚聲器的阻抗。在典型的手機(jī)配置中，兩個D類放大器均在電池提供的3.6V電源下驅(qū)動一對8Ω的揚聲器。如上所述，此時的最大音頻功率為3.2W，峰值電池電流為0.9A。結(jié)果不管是通過手機(jī)的內(nèi)部揚聲器還是通過外部連接的揚聲器/耳機(jī)提供的都將是淺薄、低功率的音頻性能，低音響應(yīng)性能非常有限。

　　圖1：D類放大器的典型配置。

　　利用超級電容改進(jìn)音樂手機(jī)設(shè)計

　　圖2給出了另一種采用超級電容的電路方案，它可以解決上述所有問題，并提供四倍的峰值音頻功率。CAP-XX HS206就是一種0.55F、85mΩ的雙單元超級電容，它用于提供峰值功率，電池則提供平均功率。升壓轉(zhuǎn)換器將超級電容充電至5V。結(jié)果表現(xiàn)為：

　　立體聲手機(jī)的峰值功率提高至2 x 5V2/8Ω = 6.25W，接近上述功率的兩倍。另外，因為超級電容能夠提供非常高的峰值電流，設(shè)計師可以使用4Ω的揚聲器將峰值音頻功率提高到12.5W，或4倍于最初的功率。

　　0.55F, 85mΩ的超級電容在提供持續(xù)10msec時間的12.5W峰值功率且峰值電池功率為1.8W(0.5A@3.6V)時，只產(chǎn)生200mV的紋波。

　　目前只能提供150mA到300mA的平均音頻電流給超級電容充電的電池，也能在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訪問時提供峰值射頻功率，同時不犧牲音頻功率，故而在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訪問時用戶不會聽到“喀噠聲”。

　　此外，由于射頻發(fā)射而在電池電壓上產(chǎn)生的紋波也不會反映到音頻放大器上。這些紋波已被升壓轉(zhuǎn)換器的線路穩(wěn)壓電路和超級電容濾除了，從而徹底消除了217Hz的嗡嗡聲。

　　圖2：帶有超級電容的D類放大器架構(gòu)。

　　測試結(jié)果

　　為了測試超級電容帶來的音頻改善，我們建立測試裝置。在該測試裝置中我們建立了如圖1和圖2所示的電路，其中采用一對TPA2023D1來提供立體聲音頻通道：

　　在沒有超級電容的情況下(圖1)，我們將音頻放大器連接到3.7V的鋰離子電池上，并驅(qū)動一對8Ω揚聲器。

　　在有超級電容的情況下(圖2)，我們將電池連接到降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端，并且將輸入電流限制為250mA，輸出設(shè)置為5V。然后將0.55F、85mΩ ESR的超級電容跨接在降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，并連接到圖2所示音頻放大器的電源輸入端。同樣驅(qū)動兩對8Ω揚聲器，每對揚聲器跨接每個音頻放大器，這樣可以使輸出阻抗減小一半，從而使揚聲器總功率再加倍。在這樣的裝置下，我們對以下方面進(jìn)行了測試：表現(xiàn)為低音節(jié)拍的大功率低音爆發(fā);在聽音樂時的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問，我們把它描述為1KHz的單音，目的是使超級電容帶來的改善效果更加明顯。