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超級電容提高移動電話的音頻質(zhì)量和電源性能

發(fā)布時間:2008-10-09

中心論題:

  • 超級電容填補了電池和普通電容之間的功率空隙。
  • 目前音樂手機設(shè)計中的音頻質(zhì)量和功率問題。
  • 利用超級電容改進的音樂手機設(shè)計。
  • 超級電容帶來顯著的音頻改善。
解決方案:
  • 超級電容提供非常高的峰值電流提高功率。
  • 升壓轉(zhuǎn)換器的線路穩(wěn)壓電路和超級電容濾除波紋。
  • 采用含0.55F、85mΩ的雙單元超級電容電路設(shè)計音樂手機。
  • 每對揚聲器跨接每個音頻放大器使輸出阻抗減小一半。

本文將討論有關(guān)為帶音樂功能的手機提供大功率和高質(zhì)量音頻的問題,并介紹超級電容(supercapacitor)如何能克服這些問題。這種超級電容還可以在不犧牲手機超薄外形的優(yōu)勢條件下實現(xiàn)大功率LED閃光攝影功能。
  
在問題展開討論之前,先介紹一下超級電容及其在電源管理中扮演的角色。超級電容填補了電池和普通電容之間的功率空隙,它能提供比電池更高的觸發(fā)功率,并能比普通電容存儲更多的能量。超級電容可以為峰值功率事件(如GSM/GPRS射頻突發(fā)發(fā)送、GPS數(shù)據(jù)讀取、音樂播放、閃光照相和視頻播放)提供所需的觸發(fā)功率,然后接受電池的再充電。其好處包括延長通話時間、延長電池壽命、閃光更亮以及音樂質(zhì)量更佳。設(shè)計師還可以藉此節(jié)省空間和成本,因為他們只需要考慮滿足平均功耗的電池和電源電路即可,不必關(guān)注峰值負(fù)載。
  
目前音樂手機設(shè)計中的音頻質(zhì)量和功率問題
目前的移動電話通常使用D類音頻放大器。這些放大器在一個H橋電路中采用了兩對FET來控制揚聲器線圈。配置如圖1所示。Q1&Q4導(dǎo)通和Q2&Q3關(guān)斷時向一個方向驅(qū)動揚聲器線圈,Q1&Q4關(guān)斷和Q2&Q3導(dǎo)通
  
時向相反方向驅(qū)動線圈。該電路的電源一般是3.6V的電池。帶立體聲音頻的手機有一對放大器和揚聲器。對8Ω的揚聲器來說,最大音頻功率= 3.6V2/8Ω = 1.6W,或立體聲時為3.2W。在峰值立體聲音頻功率下的電池電流=3.2W/3.6V = 0.9A。因此這種情況下的音頻播放可能會受到功率限制、失真和干擾的影響。
  
問題1:電池?zé)o法同時滿足無線數(shù)據(jù)發(fā)送和音頻放大器產(chǎn)生的峰值功率要求,結(jié)果將導(dǎo)致失真。
  
當(dāng)用戶用GSM/GPRS/EDGE手機欣賞音樂時,手機電池將無法同時提供峰值音頻電流和峰值射頻發(fā)射功率來響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訪問。網(wǎng)絡(luò)會周期性地訪問手機以跟蹤手機位于哪個蜂窩,并確定手機應(yīng)該使用的發(fā)射功率。這種網(wǎng)絡(luò)訪問期間,在手機響應(yīng)時音頻放大器供電可能會下降,此時用戶會聽到一聲“喀噠聲”。不過,電池能夠輕松提供約100mA到200mA的平均音頻電流。
  
問題2:當(dāng)峰值電池電流超過1A時會產(chǎn)生音頻噪聲/嗡嗡聲,這將在音頻放大器電源電壓上產(chǎn)生明顯的紋波。
  
如果電池組+連接器+PCB走線的總阻抗等于150mΩ,那么1A的峰值電流將在電源電壓上產(chǎn)生150mV的紋波,1.8A的峰值電流產(chǎn)生270mV的紋波。電源電壓中的這種紋波將給聽者帶來音頻噪聲。GSM/GPRS/EDGE發(fā)射時的峰值電流高達1.8A,因此也會產(chǎn)生音頻噪聲,在通話時用戶會聽到217Hz的嗡嗡聲。
  
問題3:CDMA、GSM&3G手機中有限的音頻功率和最差的低音響應(yīng)。
  
不管是什么型號的手機,其音頻能力和質(zhì)量都取決于音頻放大器的輸出功率和揚聲器的阻抗。在典型的手機配置中,兩個D類放大器均在電池提供的3.6V電源下驅(qū)動一對8Ω的揚聲器。如上所述,此時的最大音頻功率為3.2W,峰值電池電流為0.9A。結(jié)果不管是通過手機的內(nèi)部揚聲器還是通過外部連接的揚聲器/耳機提供的都將是淺薄、低功率的音頻性能,低音響應(yīng)性能非常有限。
   
圖1:D類放大器的典型配置。
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利用超級電容改進音樂手機設(shè)計
圖2給出了另一種采用超級電容的電路方案,它可以解決上述所有問題,并提供四倍的峰值音頻功率。CAP-XX HS206就是一種0.55F、85mΩ的雙單元超級電容,它用于提供峰值功率,電池則提供平均功率。升壓轉(zhuǎn)換器將超級電容充電至5V。結(jié)果表現(xiàn)為:
  
立體聲手機的峰值功率提高至2 x 5V2/8Ω = 6.25W,接近上述功率的兩倍。另外,因為超級電容能夠提供非常高的峰值電流,設(shè)計師可以使用4Ω的揚聲器將峰值音頻功率提高到12.5W,或4倍于最初的功率。
  
0.55F, 85mΩ的超級電容在提供持續(xù)10msec時間的12.5W峰值功率且峰值電池功率為1.8W(0.5A@3.6V)時,只產(chǎn)生200mV的紋波。
  
目前只能提供150mA到300mA的平均音頻電流給超級電容充電的電池,也能在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訪問時提供峰值射頻功率,同時不犧牲音頻功率,故而在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訪問時用戶不會聽到“喀噠聲”。
  
此外,由于射頻發(fā)射而在電池電壓上產(chǎn)生的紋波也不會反映到音頻放大器上。這些紋波已被升壓轉(zhuǎn)換器的線路穩(wěn)壓電路和超級電容濾除了,從而徹底消除了217Hz的嗡嗡聲。



圖2:帶有超級電容的D類放大器架構(gòu)。
  
測試結(jié)果

為了測試超級電容帶來的音頻改善,我們建立測試裝置。在該測試裝置中我們建立了如圖1和圖2所示的電路,其中采用一對TPA2023D1來提供立體聲音頻通道:
  
在沒有超級電容的情況下(圖1),我們將音頻放大器連接到3.7V的鋰離子電池上,并驅(qū)動一對8Ω揚聲器。
  
在有超級電容的情況下(圖2),我們將電池連接到降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸入端,并且將輸入電流限制為250mA,輸出設(shè)置為5V。然后將0.55F、85mΩ ESR的超級電容跨接在降壓-升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端,并連接到圖2所示音頻放大器的電源輸入端。同樣驅(qū)動兩對8Ω揚聲器,每對揚聲器跨接每個音頻放大器,這樣可以使輸出阻抗減小一半,從而使揚聲器總功率再加倍。在這樣的裝置下,我們對以下方面進行了測試:表現(xiàn)為低音節(jié)拍的大功率低音爆發(fā);在聽音樂時的進行網(wǎng)絡(luò)訪問,我們把它描述為1KHz的單音,目的是使超級電容帶來的改善效果更加明顯。

    

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