如何在便携应用中最高效率利用电池能量

Robert Hatfield；技术市场工程师；Wolfson Microelectronics公司

手机功能的丰富和体积的缩小继续驱动针对便携式应用的硅芯片向更高集成度方向发展。消费者现在也开始要求更高质量的音频和更高功率的扬声器，而且不能接受由此而降低的电池寿命。专门针对便携式锂电池供电应用而优化设计的新一代高度集成“音频集线器”器件，允许设计师在满足所有这些要求的同时，能降低成本和简化系统开发。

手机设计挑战

在一部手机中增加更多的功能通常会增加电池电量的消耗，不管是增加非常耗电的功能(如大屏幕彩色显示或几百万像素数码相机)，还是利用额外的信号处理能力来执行更先进的任务(如语音识别或MPEG解码)。

在音频领域，支持电影回放、移动TV、游戏和其它多媒体功能也需要从电池中得到更多电流。虽然旧型号的手机仅需要一个单声道的扬声器来播放铃声(而且可能每隔几小时才需要播放几秒钟)，但最新型号的多媒体手机设计开始采用立体声扬声器，而且需要在长得多的一段时间内(如在TV流和游戏期间)保持工作状态。这些应用特性也要求扬声器能输出比以前更高的音频质量。

不过，立体声扬声器要求的电能是单声道扬声器的两倍，而且一个持续10分钟的电影片断在立体声扬声器上消耗的电池能量是10秒单声道铃声的120倍。现在的消费者也在期望更高的音量，1W输出功率的扬声器现在已是相当典型的要求，而这对电池能量提出了更高的需求。

在手机上增加功能通常要增加电路，在手机体积不断缩小的今天，这意味着留给电池的空间比以往任何时候都要小。由于要求在使用尽可能小的电池的同时在手机上增加更多的非常耗电的音频特性，手机设计师不得不仔细地检讨手机上每一个耗电的原因和低效率问题，以在每一个可能的地方节省电池能量。这一对更长电池寿命的要求正在推动采用D类功放技术的趋势，D类功放能够消除音频电路中最大的低效率源。

不断缩小的外形因子也正在推动混合信号音频功能的集成，但这一集成也带来了新的挑战，因为既要改善音频质量，又不能增加功耗或要求额外的外部元件(如稳压器或无源元件)。新一代‘音频集线器’器件正在逐步解决这一复杂的设计难题。下面三个主要的考虑推动了这类新器件的出现：

(1)改善音频质量

这并不简单地局限于改善关键元器件的SNR和THD性能，它还包括：抑制其它元器件产生的噪声；消除爆裂声、滴答声、拉练噪声和其它瞬时噪声；在更高音量水平保持高性能。所有这些都为终端用户带来了更佳的音频体验。

(2)将功耗降至最低(在工作和待机模式)。

(3)减小PCB面积和元器件数量。

音频集线器的概念

便携式多媒体设备(如手机)通常含有一些采用不同数据格式的模拟和数字音频源，这些音频流在通过不同的变换器(如小功率扬声器、大功率扬声器和耳机)输出到真实世界之前必须进行转换和适当的混合。为了节省空间、削减成本和降低设计复杂性，将这些音频处理功能全部集中到一个器件(即音频集线器)上肯定是有利的。

音频集线器必须能够连接具有不同幅度、源阻抗、DC偏置和带宽的模拟信号，如FM接收机、麦克风、发送/接收语音数据、铃声或Hi-Fi线路输入(图1)。灵活的输入配置能够为在不同系统架构中的这些不同信号特性提供支持，而且同时最小化引脚数、节省空间和降低成本。



数字数据源也能以不同的数据格式、字长和样本速率存在。由于电话使用模式通常仅要求音频集线器处理单声道8kHz PCM格式数据，因此集成数字音乐回放功能要求音频集线器器件处理不同的样本速率、字长和数据格式(如立体声16位44.1kHz I2S数据)。音频集线器上一个灵活的数字音频接口和时钟方案再加上Hi-Fi质量的数据转换器，可使得在手机上实现数字音乐播放功能不再需要额外的混合信号元件。

在音频集线器的模拟域中混合能够消除样本速率转换困难，而且灵活的混合通道能够促成新的应用特性的出现。像WM8983和WM8985这样的器件允许对麦克风输入、数字音乐、FM接收器和接收的语音数据进行任意的混合，并提供重新数字化这一混合音频的功能，这可促成如卡拉OK录制等功能的实现。

数字多媒体处理器和混合信号器件不同的晶圆工艺趋势进一步增强了把混合信号音频功能集成到单个音频集线器中的动力。



图2是典型的便携式多媒体系统结构框图。这一信号链上针对各音频功能的电源要求是音频集线器器件中最不同的，一般有3到4个独立的电源域，每个域都有自己独特的电压/电流要求和噪声特性(如图3)。音频集线器器件需要进行非常小心的设计才能在这些电源的不同局限下工作。在不牺牲音频信号质量的前提下将功耗降至最低，是在合理降低电池寿命的前提下为便携式设计提供Hi-Fi质量音乐的关键。每个电源域必须使用不同的省电技术。



数字电源—省电

由于降低数字电源电压不会影响音频质量，数字内核将采用尽可能低的电压以节省电能。使用这些低电压的DC/DC转换器与线性稳压器相比可大幅提高功率转换效率，DC/DC转换器的高频率开关引起的电源纹波可以更容易地采用数字电路来加以抑制，而一个模拟块需要一个稳定的电源电压来使得噪声水平尽可能地低。

以同样的方法，采用低电压的数字I/O缓冲器电源将消耗更少的功率，而且音频质量将不会受到影响，尽管由于一些实际的原因这一电源电压有时要高于数字内核的电源电压(例如，为了保持相互通信的器件之间的信令电压水平的一致)。

模拟电源—高质量低功率

与数字功能不同，模拟信号处理元件(如ADC、DAC、混频器、放大器和麦克风接口)对噪声非常敏感。信噪比可通过提高模拟电源电压而改善，但代价是功耗增加了。系统设计师必须根据他们自己的音频质量和功耗目标做出合理的折衷。

维持一个稳定的干净的模拟电源对预防电源噪声降低音频质量也很重要。尽管良好的设计和差分技术能够改善电源抑制比，但通常采用一个高PSRR的线性稳压器为音频集线器上的模拟电路供电。在稳压器的输出电压和最小输入电压之间有一个足够的裕量也很重要，这可在电池放电时维持高的PSRR水平(图4)。在便携式音频应用中2.7V和3.0V之间的模拟电压是相当典型的。



尽管开关稳压器能提供更高的效率，它们通常不用于提供模拟电源，因为它们会引入开关噪声和要求更大更昂贵的元件，而且其效率优势也由于相对高稳定的输出电压而变得不是很重要。

音频集线器上模拟电路省电的最有效策略是提供灵活和粒状(granular)电源管理控制，从而那些对某一给定的应用情景而言不是必要的电路就可以被关掉。例如，大多数音频集线器至少在片上有2个ADC和2个DAC，但语音录制功能仅需要使用一个ADC，PCM语音通话需要一个ADC和一个DAC，MP3播放需要使用两个DAC。

只要在某个特别的电路里有功耗和音频质量折衷问题，就可以采用低功耗模式，这样当质量要求降低时(如在语音通信时)，性能也可以适当地降低以节省电力。随着音频集线器器件复杂性不断增长以匹配不断增加的手机性能，可能的器件配置数量也在增长，不同块的低级别控制变得必要起来以避免浪费功率。