本文將討論有關(guān)為帶音樂(lè)功能的手機(jī)提供大功率和高質(zhì)量音頻的問(wèn)題，并介紹超級(jí)電容(supercapacitor)如何能克服這些問(wèn)題,。這種超級(jí)電容還可以在不犧牲手機(jī)超薄外形的優(yōu)勢(shì)條件下實(shí)現(xiàn)大功率LED閃光攝影功能,。

　　在問(wèn)題展開(kāi)討論之前，先介紹一下超級(jí)電容及其在電源管理中扮演的角色,。超級(jí)電容填補(bǔ)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(chǔ)更多的能量,。超級(jí)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(lè)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(zhǎng)通話時(shí)間,、延長(zhǎng)電池壽命,、閃光更亮以及音樂(lè)質(zhì)量更佳。設(shè)計(jì)師還可以藉此節(jié)省空間和成本，因?yàn)樗麄冎恍枰紤]滿(mǎn)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(lè)手機(jī)設(shè)計(jì)中的音頻質(zhì)量和功率問(wèn)題

　　目前的移動(dòng)電話通常使用D類(lèi)音頻放大器。這些放大器在一個(gè)H橋電路中采用了兩對(duì)FET來(lái)控制揚(yáng)聲器線圈,。配置如圖1所示,。Q1&Q4導(dǎo)通和Q2&Q3關(guān)斷時(shí)向一個(gè)方向驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器線圈，Q1&Q4關(guān)斷和Q2&Q3導(dǎo)通

時(shí)向相反方向驅(qū)動(dòng)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(jī)有一對(duì)放大器和揚(yáng)聲器。對(duì)8Ω的揚(yáng)聲器來(lái)說(shuō),，最大音頻功率= 3.6V2/8Ω = 1.6W,，或立體聲時(shí)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(huì)受到功率限制,、失真和干擾的影響。

　　問(wèn)題1：電池?zé)o法同時(shí)滿(mǎn)足無(wú)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(hù)用GSM/GPRS/EDGE手機(jī)欣賞音樂(lè)時(shí)，手機(jī)電池將無(wú)法同時(shí)提供峰值音頻電流和峰值射頻發(fā)射功率來(lái)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn),。網(wǎng)絡(luò)會(huì)周期性地訪問(wèn)手機(jī)以跟蹤手機(jī)位于哪個(gè)蜂窩,，并確定手機(jī)應(yīng)該使用的發(fā)射功率。這種網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)期間,，在手機(jī)響應(yīng)時(shí)音頻放大器供電可能會(huì)下降,，此時(shí)用戶(hù)會(huì)聽(tīng)到一聲“喀噠聲”。不過(guò),，電池能夠輕松提供約100mA到200mA的平均音頻電流,。

　　問(wèn)題2：當(dāng)峰值電池電流超過(guò)1A時(shí)會(huì)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(tīng)者帶來(lái)音頻噪聲,。GSM/GPRS/EDGE發(fā)射時(shí)的峰值電流高達(dá)1.8A,，因此也會(huì)產(chǎn)生音頻噪聲，在通話時(shí)用戶(hù)會(huì)聽(tīng)到217Hz的嗡嗡聲,。

　　問(wèn)題3：CDMA,、GSM&3G手機(jī)中有限的音頻功率和最差的低音響應(yīng)。

　　不管是什么型號(hào)的手機(jī),，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(yáng)聲器的阻抗,。在典型的手機(jī)配置中,，兩個(gè)D類(lèi)放大器均在電池提供的3.6V電源下驅(qū)動(dòng)一對(duì)8Ω的揚(yáng)聲器。如上所述,，此時(shí)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(guò)手機(jī)的內(nèi)部揚(yáng)聲器還是通過(guò)外部連接的揚(yáng)聲器/耳機(jī)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(lèi)放大器的典型配置,。

　　利用超級(jí)電容改進(jìn)音樂(lè)手機(jī)設(shè)計(jì)

　　圖2給出了另一種采用超級(jí)電容的電路方案,，它可以解決上述所有問(wèn)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(jí)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(jí)電容充電至5V。結(jié)果表現(xiàn)為：

• 立體聲手機(jī)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?yàn)槌?jí)電容能夠提供非常高的峰值電流,，設(shè)計(jì)師可以使用4Ω的揚(yáng)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(jí)電容在提供持續(xù)10msec時(shí)間的12.5W峰值功率且峰值電池功率為1.8W([email protected])時(shí),，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(jí)電容充電的電池,，也能在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)時(shí)提供峰值射頻功率,，同時(shí)不犧牲音頻功率，故而在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)時(shí)用戶(hù)不會(huì)聽(tīng)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(huì)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(jí)電容濾除了,，從而徹底消除了217Hz的嗡嗡聲,。

圖2：帶有超級(jí)電容的D類(lèi)放大器架構(gòu)。

　　測(cè)試結(jié)果

　　為了測(cè)試超級(jí)電容帶來(lái)的音頻改善,，我們建立測(cè)試裝置,。在該測(cè)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(duì)TPA2023D1來(lái)提供立體聲音頻通道：

• 在沒(méi)有超級(jí)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(dòng)一對(duì)8Ω揚(yáng)聲器,。
• 在有超級(jí)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(jí)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(dòng)兩對(duì)8Ω揚(yáng)聲器,，每對(duì)揚(yáng)聲器跨接每個(gè)音頻放大器,，這樣可以使輸出阻抗減小一半，從而使揚(yáng)聲器總功率再加倍,。在這樣的裝置下,，我們對(duì)以下方面進(jìn)行了測(cè)試：表現(xiàn)為低音節(jié)拍的大功率低音爆發(fā)；在聽(tīng)音樂(lè)時(shí)的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn),，我們把它描述為1KHz的單音,，目的是使超級(jí)電容帶來(lái)的改善效果更加明顯。