作者：德州儀器Zachary Kingsak 和 Avi Yashar

近年來，智能家居技術一直在迅速發展。越來越多的家庭采用 Amazon Echo 和 Google Home 等智能揚聲器。一度只生產簡單家用設備的公司，現正面臨著高保真音頻輸出的需求。這種音頻輸出遠遠不止于普通的嗶嗶聲或是通知衣服已經清洗完畢的音樂聲；此音頻技術能使電冰箱大聲報讀食品清單，或讓照明開關提醒人們在離開房間之前關燈。

增添先進的音頻功能是令人怯步的艱巨工作，會使本已緊張的工程設計團隊的時間表變得復雜紛亂。在本篇博文中，我將探討與智能家居音頻設計相關的四大挑戰和如何簡化設計過程的方法。

1.難以定義項目要求。

您要從事的項目聽上去很簡單：讓這件設備講話。但伴隨音頻輸出的是許多設計選擇和挑戰，從一眼看過去都非常近似的海量選擇中挑選出適合的放大器，不是一件容易的事情。

為了簡化選擇放大器的過程，TI 的交互式框圖針對特定智能家居應用提供組件方面的建議。例如，圖 1 顯示的智能揚聲器框圖，重點介紹了功能能夠滿足多種智能家居設計要求的音頻子系統和大量揚聲器放大器。同一頁上的音頻參考設計附帶可用作項目模板的原理圖和配套部分，既增加了系統級知識，又降低了組件選擇的難度。

圖1：智能揚聲器框圖

TI 框圖是開始設計的很棒的第一步，但是揚聲器放大器的選擇最終將取決于您的項目要求。最常見的智能家居產品要求中的兩個，是高效率和簡潔而重點明晰的設備概要文件。

2.音頻輸出和先進功能會降低能源效率。

為智能家居設備添加額外功能會增加功耗，音頻功能也會導致這樣的結果。隨著科技公司不斷努力開發綠色環保技術和政府頒布有關備用電源的法規，優化下一代產品使其功耗不斷下降就變得日益重要了。低效率的音頻系統是浪費功率和降低用戶滿意度的主要元兇之一，它增加電費開支，還能更快速地消耗電池電能，甚至使設備發熱。

音頻放大器不總是起到上述作用，但是在用戶需要反饋或通知時，它們則必須響應；想一想閑置模式下的安防攝像機或智能顯示屏，就會明白其中的道理。另一方面，在開泳池派對時，藍牙? 揚聲器需要高效播放夏日樂單，這樣它的電池才能維持一整天。

為解決以智能家居為核心的應用問題，TI 最新的揚聲器放大器擁有了先進的內置功耗管理功能。這一專有的混合調制方案可將 >12-V 系統中的待機電流損耗降至最低，同時采用音頻信號包絡跟蹤算法的板載 H 類升壓設置，能夠將電池供電系統的電池續航時間延長多達 40%。圖 2 說明了受算法控制的多步升壓，尤其是在播放音頻且增益較低的情況下，是如何顯著節約固定式 12V 電源軌的功耗的。

圖2：H類多步升壓軌為固定式12V電源軌顯著節省功耗

3.物理條件局限限制了音頻性能。

電子設備已經縮水為極簡潔的設計。家用設備小巧的外形從未給音頻功能留有余地，這使得添加額外組件，比如放大器、數字信號處理器（DSP）、升壓轉換器和揚聲器，而又不增大總體尺寸成為一件困難的事情。

TI 的音頻團隊充分考慮了這些局限，把主要精力放在制作集成更多功能的放大器上，以便減少外部組件并優化音頻子系統占用的空間。

智能家居生態系統的核心是智能揚聲器，它的高品質音樂和虛擬輔助反饋對于博取高用戶滿意度至關重要。增添音頻 DSP 來產生高品質輸出，亦同時增加了成本和印刷電路板（PCB）體積。TI 提供集成了處理能力的音頻放大器，于是用戶可以調節揚聲器輸出最清晰的虛擬輔助響應和最豐富的音樂體驗。外部回聲消除算法甚至能夠利用預處理后的信號，幫助智能揚聲器更準確地區分音頻輸出和用戶語音命令。

D 類揚聲器放大器的高開關頻率，導致電磁干擾（EMI），使音頻信號失真。這通常需要由多個大型電感器進行抑制。但是諸如擴展頻譜和相位優化等功能不需要外部電感器就能抑制 EMI，既節省空間和成本，又能產生超低失真的音頻輸出。

一般來說，揚聲器輸出功率與其尺寸緊密相關；如果您想要更大的音量，就需要更大的換能器，但在設計空間局促的產品時可能無法使用換能器。可視門鈴需要高聲和清晰地輸出家庭主人說的話，即使在嘈雜環境中也必須做到這一點，同時還要保持小巧纖薄的外形。適合這些設計的智能揚聲器，輸出的功率也較低，因此更易于因過熱和超溫而損壞。但由于有了 TI 揚聲器保護算法，較小的揚聲器也能安全輸出較高音量，達致前所未有的優越音質。

如圖 3 所示，采用揚聲器保護算法的 TI 智能放大器，使工程師能夠充分利用揚聲器功能和輸出更高的平均功率，而又不會把換能器集成從設計中拿掉。在智能家居中，音量的視場合變化意味著訪客坐在車里，即使旁邊有汽車飛馳而過，也能輕松聽到主人的聲音。

圖3：揚聲器保護算法使揚聲器能夠輸出比傳統放大器高出兩倍的音量，同時不會損壞元器件

小外形裝置散熱不佳，也給不斷縮小的智能家居產品帶來了問題。熱量可以損害內部組件，形成不良的用戶體驗，或者如果未能正確處置會引起裝置起火。設計時牢記散熱，就表示考慮 PCB 布局和銅線厚度，或部署如溫度折返等功能使揚聲器放大器減少散熱，方法是在過熱情況下，動態調節音頻信號的增益。在設計安全可靠產品的初始階段，就必須牢記熱量管理。

4.運用先進的音頻放大器技術/功能，要求深厚的專業技能，并且實施起來有難度。

先進功能能解決許多問題，這在方案研究階段聽上去很不錯，但如果很難實施就沒有什么價值了，尤其對于首次設計音頻的工程師而言更是如此。從零開始構建特性或通過外部組件實施是困難的，一來不能有效使用 PCB 空間，二來需要電力電子和信號處理方面的專業知識。為簡化下一代產品的設計，TI 不僅為放大器集成了多種功能，而且還提供免費的軟件工具幫助用戶輕松控制它們。

PurePath? Console 3 軟件套裝通過連接各設備的評估模塊（EVM）簡化了對這些設備的操控，便于工程師在現代化且易于使用的圖形用戶界面中迅速調整音頻輸出、標定設置和體現揚聲器的特征。

逐步調節和特征化向導及大量培訓資源，拉平了與學習新工具相關的學習曲線（即，降低了學習難度，減少了學習時間）。該軟件兼容多種 TI 音頻評估模塊（EVM），支持項目在未來采用新設備，軟件套件則不需要變化。

由于功耗管理、揚聲器保護和音頻均衡都集成到了 TI 設備中，通過 PurePath Console 軟件可以輕松配置它們。它們只需要很少或完全不需要額外的軟件開發工作，這使得我們運用這些設備和軟件便能夠創造出高功耗管理效率、高保真的音頻子系統，在提高用戶滿意度之余，有很大的把握能夠契合總體項目時間安排。

審核編輯：何安