差異化模擬產(chǎn)品在智能手機設計的應用

近年來(lái)，便攜式產(chǎn)品越來(lái)越多地采用多源設計，諸如手機和其它便攜產(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。這對手機信號傳輸的帶寬、電池的效率、EMI要求越來(lái)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(dòng)芯片的設計要求相應提高。本文從實(shí)際應用的角度，詳細闡述了高速USB系列產(chǎn)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(chǎn)品設計滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的同時(shí)，對產(chǎn)品的核心參數對系統的影響做一個(gè)全面的討論。

圖1為目前市場(chǎng)主流的智能手機設計架構。下面將從三個(gè)方面來(lái)討論系統基帶設計要點(diǎn)以及相關(guān)產(chǎn)品的核心指標：高速USB2.0開(kāi)關(guān)選型和布線(xiàn)的要求;LED背光驅動(dòng)電路的系統設計與選型的要求;音頻系統的功放設計和EMI設計方面的挑戰和解決方案。

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(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(kāi)關(guān)在設計中尤為關(guān)鍵。如果帶寬不夠往往會(huì )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(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(kāi)關(guān)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(shí)選用高ESD等級的高帶寬USB開(kāi)關(guān)將非常重要。為降低高速信號的反射，布線(xiàn)時(shí)USB開(kāi)關(guān)盡量不要放在USB輸出和接口的中間，同時(shí)數據線(xiàn)D+和D-應盡量減少過(guò)孔，保持數據線(xiàn)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(lǐng)域絕大多數帶寬小于720MHz)的USB高速2.0開(kāi)關(guān)不但通過(guò)USB 2.0兼容性測試，同時(shí)ESD(HBM)達到8KV(工業(yè)領(lǐng)域大多數4KV)，CDM達到2KV，可以去除數據線(xiàn)上外掛的ESD保護功能，大幅減小寄生電容，同時(shí)降低系統設計成本。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(dòng)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(dòng)，有效降低了系統的EMI(通常通過(guò)外部管腳散發(fā)，影響系統音頻通話(huà))。通路間的LED輸出電流匹配也是系統設計的核心指標(3%)。建議客戶(hù)在選用大電流輸出的LED驅動(dòng)芯片時(shí)，選用小于200mV的充電泵啟動(dòng)閥值，基于一線(xiàn)調光模式的LED驅動(dòng)芯片。

帝奧微電子的DIO5056是一款6路1倍/2倍電荷泵自適應白光LED驅動(dòng)器。電源電壓范圍2.7V至5.5V，支持16步脈沖計數線(xiàn)性調光，采用創(chuàng )新技術(shù)保證典型情況通道間電流相對匹配精度小于3%，同時(shí)具有很低的電荷泵開(kāi)啟閾值電壓(如圖3所示)。芯片還包括了過(guò)流保護、短路保護、開(kāi)路保護、過(guò)溫保護等功能。芯片關(guān)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(kāi)發(fā)周期。

低EMI、低諧波失真語(yǔ)音功放選擇

隨著(zhù)游戲和高保真音樂(lè )手機的普及，智能手機對語(yǔ)音功放的要求又上了一個(gè)新的臺階。普通的基于A(yíng)B類(lèi)和D類(lèi)的語(yǔ)音功放已經(jīng)無(wú)法適應市場(chǎng)的需求。前者偏低的效率以及熱性能無(wú)法滿(mǎn)足大功率輸出(2W以上)的要求，后者在電池供電時(shí)無(wú)法提供超越電池電壓要求的功率?；谑袌?chǎng)需求和設計挑戰，小封裝大輸出能力，且帶有自動(dòng)增益調節(AGC)的防破音處理能力的高效語(yǔ)音功放是市場(chǎng)發(fā)展的必然趨勢，與此同時(shí)，低EMI輻射的架構設計將尤為重要。很多情況下客戶(hù)在注重EMI性能的同時(shí)，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(guò)低的EMI輻射設計架構會(huì )導致功放THD等性能的降低。結合以上設計的挑戰，選用一款低電磁輻射、高效、低諧波失真的大功率D類(lèi)架構的防破音語(yǔ)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28dB輸出的自動(dòng)增益(AGC)調節回路，以及8KV的ESD保護，是目前市場(chǎng)上最大功率輸出而封裝最小的K類(lèi)功放產(chǎn)品(3mm×3mm的16腳 QFN封裝)，相比競爭產(chǎn)品4mm×4mm的尺寸減小43%，大幅降低了終端客戶(hù)的PCB面積和設計成本。

5.本文小結

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