差異化模擬產(chǎn)品在智能手機設(shè)計的應(yīng)用

近年來，便攜式產(chǎn)品越來越多地采用多源設(shè)計，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?shù)膸?、電池的效率、EMI要求越來越嚴(yán)格，因此對音頻芯片、USB接口芯片以及高效低成本背光驅(qū)動芯片的設(shè)計要求相應(yīng)提高。本文從實際應(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中的具體應(yīng)用，以及在設(shè)計端面臨的困擾。在推薦差異化產(chǎn)品設(shè)計滿足市場需求的同時，對產(chǎn)品的核心參數(shù)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(shè)計架構(gòu)。下面將從三個方面來討論系統(tǒng)基帶設(shè)計要點以及相關(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)動電路的系統(tǒng)設(shè)計與選型的要求;音頻系統(tǒng)的功放設(shè)計和EMI設(shè)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(shù)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(shè)備的檢修以及調(diào)試。在智能手機設(shè)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(guān)在設(shè)計中尤為關(guān)鍵。如果帶寬不夠往往會導(dǎo)致USB 2.0外設(shè)檢測出現(xiàn)不識別的情況。因為USB 2.0的測試對信號眼圖有嚴(yán)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開關(guān)的導(dǎo)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(shè)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(guān)將非常重要。為降低高速信號的反射，布線時USB開關(guān)盡量不要放在USB輸出和接口的中間，同時數(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兼容性測試，同時ESD(HBM)達到8KV(工業(yè)領(lǐng)域大多數(shù)4KV)，CDM達到2KV，可以去除數(shù)據(jù)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(shè)計成本。圖2為DIO3212的USB 2.0近端眼圖兼容性測試結(jié)果(要求比遠端更為嚴(yán)格)。

3.高效低成本LED背光設(shè)計

由于絕大多數(shù)智能手機采用3英寸或4英寸以上的平板設(shè)計，背光LED需要6顆甚至8顆LED燈。以每通道20mA為例，LED驅(qū)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(gòu)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(nèi)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(shè)計的核心指標(biāo)(3%)。建議客戶在選用大電流輸出的LED驅(qū)動芯片時，選用小于200mV的充電泵啟動閥值，基于一線調(diào)光模式的LED驅(qū)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(yīng)白光LED驅(qū)動器。電源電壓范圍2.7V至5.5V，支持16步脈沖計數(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(guān)機電流在100nA以下。另外，DIO5056采用QFN16封裝，減小了PCB板設(shè)計難度，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(jīng)無法適應(yīng)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(shè)計挑戰(zhàn)，小封裝大輸出能力，且?guī)в凶詣釉鲆嬲{(diào)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(gòu)設(shè)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(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)計架構(gòu)會導(dǎo)致功放THD等性能的降低。結(jié)合以上設(shè)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(gòu)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(diào)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(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的PCB面積和設(shè)計成本。

5.本文小結(jié)

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(shù)據(jù)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(yán)格。本文通過對智能手機基帶設(shè)計的挑戰(zhàn)進行分析，提供了一套低系統(tǒng)設(shè)計成本、高性能的整體解決方案，有利于終端客戶的新產(chǎn)品設(shè)計周期的降低，從而加速新品的上市。