差异化模拟产品在智能手机中的应用

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近年来,便携式产品越来越多地采用多源设计,诸如手机和其它便携产品要求加入更多功能,如图像、视频、电子邮件、短信以及互联网接入。这对手机信号传输的带宽、电池的效率、EMI要求越来越严格,因此对音频芯片、USB 接口芯片以及高效低成本背光驱动芯片的设计要求相应提高。本文从实际应用的角度,详细阐述了高速USB系列产品和大功率功放在智能手机中的具体应用,以及在设计端面临的困扰。在推荐差异化产品设计满足市场需求的同时,对产品的核心参数对系统的影响做一个全面的讨论。

  图1为目前市场主流的智能手机设计架构。下面将从三个方面来讨论系统基带设计要点以及相关产品的核心指标:高速USB2.0开关选型和布线的要求;LED背光驱动电路的系统设计与选型的要求;音频系统的功放设计和EMI设计方面的挑战和解决方案。

  

 

  2.USB 2.0信号链路解决方案

  大多数智能手机的基带处理芯片带有高速USB 2.0(480Mbps)的接口,与外界主机(通常为个人电脑)相连,用于音视频的上下载。同时基带配有UART接口用于设备的检修以及调试。在智能手机设计中,往往采用5脚的超薄型USB 2.0迷你接口,因而选用高带宽的USB 2.0开关在设计中尤为关键。如果带宽不够往往会导致USB 2.0外设检测出现不识别的情况。因为USB 2.0的测试对信号眼图有严格的近端和远端眼图兼容测试要求,所以链路上的寄生电容尤为关键。

  USB 2.0链路上的寄生电容包括基带处理器USB输出口D+/D-上的输出电容,USB 2.0开关的导通电容,外接ESD保护装置的寄生电容(通常大于1pf),以及连接器的接触电容。由于输出电容和接触电容是较为固定的,一旦设计完成,就基本上固定不变。这时选用高ESD等级的高带宽USB开关将非常重要。为降低高速信号的反射,布线时USB开关尽量不要放在USB输出和接口的中间,同时数据线D+和D-应尽量减少过孔,保持数据线路上差分阻抗在100ohm(上下10%),以最优化信号传输的完整性。

  帝奥微电子(Dioo Microcircuits)推出的带宽大于1GHz(工业领域绝大多数带宽小于720MHz)的USB高速2.0开关不但通过USB 2.0兼容性测试,同时ESD(HBM)达到8KV(工业领域大多数<4KV),CDM达到2KV,可以去除数据线上外挂的ESD保护功能,大幅减小寄生电容,同时降低系统设计成本。图2为DIO3212的USB 2.0近端眼图兼容性测试结果(要求比远端更为严格)。

  

3.高效低成本LED背光设计

 

  由于绝大多数智能手机采用3英寸或4英寸以上的平板设计,背光LED需要6颗甚至8颗LED灯。以每通道20mA为例,LED驱动电流将高达 120mA或160mA,若考虑到LED灯本身的压降和恒流源架构的电压损耗,超低阈值的电荷泵检测电路对系统电源效率显得尤其重要,这样也可以避免芯片内部的电荷泵频繁启动,有效降低了系统的EMI(通常通过外部管脚散发,影响系统音频通话)。通路间的LED输出电流匹配也是系统设计的核心指标 (<3%)。建议客户在选用大电流输出的LED驱动芯片时,选用小于200mV的充电泵启动阀值,基于一线调光模式的LED驱动芯片。

  帝奥微电子的DIO5056是一款6路1倍/2倍电荷泵自适应白光LED驱动器。电源电压范围2.7V至5.5V,支持16步脉冲计数线性调光,采用创新技术保证典型情况通道间电流相对匹配精度小于3%,同时具有很低的电荷泵开启阈值电压(如图3所示)。芯片还包括了过流保护、短路保护、开路保护、过温保护等功能。芯片关机电流在100nA以下。另外,DIO5056采用QFN16封装,减小了PCB板设计难度,缩减了应用成本和开发周期。

 

  低EMI、低谐波失真语音功放选择

  随着游戏和高保真音乐手机的普及,智能手机对语音功放的要求又上了一个新的台阶。普通的基于AB类和D类的语音功放已经无法适应市场的需求。前者偏低的效率以及热性能无法满足大功率输出(2W以上)的要求,后者在电池供电时无法提供超越电池电压要求的功率。基于市场需求和设计挑战,小封装大输出能力,且带有自动增益调节(AGC)的防破音处理能力的高效语音功放是市场发展的必然趋势,与此同时,低EMI辐射的架构设计将尤为重要。很多情况下客户在注重EMI性能的同时,忽略了谐波失真(THD)指标以及217Hz的抗干扰能力,特别是在大于1W的输出功率的情况下的失真。通常过低的EMI辐射设计架构会导致功放THD等性能的降低。结合以上设计的挑战,选用一款低电磁辐射、高效、低谐波失真的大功率D类架构的防破音语音功放是市场发展的必然需求。

  

 

  帝奥微电子的DIO2160具有高达28dB输出的自动增益(AGC)调节回路,以及8KV的ESD保护,是目前市场上最大功率输出而封装最小的K类功放产品(3mm×3mm的16脚 QFN封装),相比竞争产品4mm×4mm的尺寸减小43%,大幅降低了终端客户的PCB面积和设计成本。

  5.本文小结

  在智能手机向越来越大的屏幕尺寸,越来越高的功率输出和数据吞吐处理能力需求发展的同时,系统对于高效率、低电磁辐射、小而薄的封装以及鲁棒的 ESD性能要求越来越严格。本文通过对智能手机基带设计的挑战进行分析,提供了一套低系统设计成本、高性能的整体解决方案,有利于终端客户的新产品设计周期的降低,从而加速新品的上市。

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