利用特殊應用模擬開關(guān)改進便攜式設計

隨著市場對功能豐富的手機需求越來越強勁，具有特殊應用性能的模擬開關(guān)得到了最終設計的持續(xù)青睞。此舉不僅能降低材料成本(BOM)，還有助于提升設計性能并滿足對產(chǎn)品上市時間的要求。本文將通過若干實際用例指導系統(tǒng)設計人員如何降低沖擊噪聲(pop noise)、檢測充電器及改進眼圖張度。
　　
同時，本文還通過比較傳統(tǒng)方案與集成方案說明了手機市場向多媒體設計發(fā)展過程中采用這種高性能模擬產(chǎn)品所帶來的好處。
　　
降低沖擊噪聲
　　
由浪涌電流引發(fā)的沖擊噪聲仍是設計人員所面臨的艱巨挑戰(zhàn)，特別是當最終用戶啟動音樂和通話功能之間的切換時。只要最終用戶開啟了音樂功能，這種惱人的噪音就會給人帶來不愉快的體驗。如圖1所示，在音頻放大器工作時，通過交流耦合電容器的電源開/關(guān)浪涌電流是產(chǎn)生沖擊噪聲的元兇，此時的音頻共模電壓會急劇升高。
　　
目前市場上已有多種解決方案。其中之一是增加額外的放大器使音頻輸出具有“0V”偏置，從而最小化緊鄰耳機之前的交流耦合電容器的大小。因為大多數(shù)耳機放大器被整合進了基帶處理器或電源管理單元(PMU)，因此增加這種放大器不僅增加了材料成本，還加大了功耗。
　　
圖1顯示了另一種方法，這種方法在音頻信號通路中增加了一個獨立充電通路，從而允許交流耦合電容器在被切換至耳機或主通路前被完全充電。這可借助基帶處理器的通用I/O進行控制，讓音頻放大器和開關(guān)先上電，主信道開關(guān)此時處于關(guān)閉狀態(tài)。音頻輸出的共模電壓將開始從0升至VCC/2。一段時間后(以10ms為參考)，耦合電容器兩端被充電至等電位，這時再開啟主信道就完全不會有浪涌電流了，因為此時電容器兩極之間的壓差為0V。



圖1：具有低THD和負擺幅功能的音頻開關(guān)可以消除音頻沖擊噪聲。
　　
這種開關(guān)很適合單個USB連接器(D+/D-引腳)被耳機和USB數(shù)據(jù)線共享的手機和MP3/MP4播放機采用。低的總諧波失真(THD)對音頻聲道來說非常重要。另外，由于開關(guān)被安放在交流耦合電容器之后，因此必須處理低THD下很大的反向信號擺幅。這種開關(guān)的超低關(guān)斷電容允許高速USB信號借助該器件進行“線或”連接。而較低的寄生電容也是高速USB 2.0標準的一致性測試的關(guān)鍵。

特殊應用USB開關(guān)
　　
隨著目前的市場趨勢向單一USB充電器/數(shù)據(jù)端口的轉(zhuǎn)變，特殊應用USB開關(guān)已經(jīng)成為帶充電器檢測功能的手機設計中的一種常規(guī)配置。圖2是這種開關(guān)應用的一個范例。



圖2：帶充電器檢測功能的USB開關(guān)非常適合高速USB應用，其USB電源和數(shù)據(jù)端口是共享的。
　　
基于兩個主要原因，這種設計中需要使用低導通電容的開關(guān)。首先，由于基帶處理器和高速USB控制器輸出共享連接器側(cè)的相同D+/D-引腳，因此當手機進入高速USB 2.0模式(諸如音樂下載或閃存功能)時，必須降低基帶USB1.1/2.0全速控制器的輸出電容。D+/D-線上的任何額外電容都會損害高速USB信號的眼開度。其次，在高速USB模式時，D+/D-線上懸接的額外走線必須截除以有效避免480Mbps USB信號快速的上升/下降沿引起的信號反射。
　　
由于單個USB端口要同時給充電器和數(shù)據(jù)功能使用，因此在目前的設計中充電器檢測功能已經(jīng)非常普及。傳統(tǒng)方案是把D+/D-線饋至內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器以確定D+/D-線是否短路。如前所述，該方案的主要局限是基帶處理器GPIO端口的高輸入電容將在數(shù)據(jù)線上增加額外的容抗，這種新增加的容抗將對高數(shù)據(jù)速率下信號的有效觸發(fā)產(chǎn)生極為不利的影響，而該指標是USB 2.0一致性測試的一部分(例如USB 2.0信號的480 Mbps)。當然，這種方法的另外一個缺點是還占用了系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器的資源。
　　
在這些應用中，為實現(xiàn)充電器檢測和全速USB控制器輸出電容的隔離，需要帶超低內(nèi)部電容檢測電路的USB開關(guān)。同時，用來決定選擇哪條USB通道作為輸出的USB通道選擇腳(圖2中的S腳)必須能識別1.8 V 和3 V邏輯輸入(注意：在基帶處理器GPIO輸出中1.8 V 和3 V都相當常用)。
　　
傳統(tǒng)的開關(guān)選擇腳可以接受高達2.0 V (TTL邏輯)的輸入“高”(Vih)電平，當開關(guān)電源(VCC)直接取自電池時，該電平可導致嚴重的漏電流。借助能識別1.8 V輸入邏輯電平的能力，還可以省去外接電平轉(zhuǎn)換器件，從而允許設計人員進一步降低材料成本。例如，飛兆的FSUSB45等IC就具有超低導通電容(7pF)和小尺寸(1.4×1.8 mm)以及充電器檢測功能和1.8 V控制邏輯識別等特性，能夠很好地滿足USB數(shù)據(jù)通路開關(guān)設計的需要。
　　
本文小結(jié)
　　
模擬開關(guān)應用一直在從單純的音頻開關(guān)功能向更先進的產(chǎn)品發(fā)展，這些先進產(chǎn)品可以同時提供增值設計特性和強大的I/O到地的ESD能力。隨著諸如MP3/MP4播放器和GPS/WiFi功能等多媒體特性在最終應用中的普及，設計人員需要應用性更加特殊的開關(guān)，這樣不僅可以提供低失真的開關(guān)通道，同時能夠解決標準一致性測試所面臨的設計挑戰(zhàn)。另外，這些開關(guān)還能降低材料成本，并顯著縮短產(chǎn)品上市時間。