利用特殊應用模擬開關改進便攜式設計

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得到了最終設計的持續青睞。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品上市時間的要求。本文將通過若干實際用例指導系統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方案與集成方案說明了手機市場向多媒體設計發展過程中采用這種高性能模擬產品所帶來的好處。
　　
降低沖擊噪聲
　　
由浪涌電流引發的沖擊噪聲仍是設計人員所面臨的艱巨挑戰，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/關浪涌電流是產生沖擊噪聲的元兇，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先上電，主信道開關此時處于關閉狀態。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可以消除音頻沖擊噪聲。
　　
這種開關很適合單個USB連接器(D+/D-引腳)被耳機和USB數據線共享的手機和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。這種開關的超低關斷電容允許高速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鍵。

特殊應用USB開關
　　
隨著目前的市場趨勢向單一USB充電器/數據端口的轉變，特殊應用USB開關已經成為帶充電器檢測功能的手機設計中的一種常規配置。圖2是這種開關應用的一個范例。



圖2：帶充電器檢測功能的USB開關非常適合高速USB應用，其USB電源和數據端口是共享的。
　　
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。首先，由于基帶處理器和高速USB控制器輸出共享連接器側的相同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據功能使用，因此在目前的設計中充電器檢測功能已經非常普及。傳統方案是把D+/D-線饋至內部A/D轉換器以確定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據線上增加額外的容抗，這種新增加的容抗將對高數據速率下信號的有效觸發產生極為不利的影響，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A/D轉換器的資源。
　　
在這些應用中，為實現充電器檢測和全速USB控制器輸出電容的隔離，需要帶超低內部電容檢測電路的USB開關。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)。
　　
傳統的開關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數據通路開關設計的需要。
　　
本文小結
　　
模擬開關應用一直在從單純的音頻開關功能向更先進的產品發展，這些先進產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，這樣不僅可以提供低失真的開關通道，同時能夠解決標準一致性測試所面臨的設計挑戰。另外，這些開關還能降低材料成本，并顯著縮短產品上市時間。