手机音频、图像处理和电源管理设计的变革

 
手机已经从纯粹的语音通信发展到多媒体、娱乐终端等功能的数字个人娱乐和通信终端，这些新功能和新服务对手机设计带来极大的挑战。本文从音频电路设计、图像处理及电源管理等多个方面阐述这些变革对手机设计带来的新要求和对应的解决方案。 

移动蜂窝电话已经成为人们日常生活不可或缺的部分，并且对生活的影响日益增加。随着数字通信技术的引入，手机设计公司创新性设计竞争日趋激烈。许多全球化的厂商正在加入手机市场，即便是最近的经济减速也没能对此有影响。据估计，全世界每年有4亿7千万部市场需求，已经成为最大的消费电子市场。 

新业务对手机设计带来的挑战 

随着通信带宽的增长，服务也从SMS(短消息服务)扩展到EMS(增强消息服务)、MMS(多媒体消息服务)、WAP以及流媒体视频，甚至更高级的服务。手机自身也在不断发展以满足这些新兴业务需求。 

能够支持这些业务的手机的体积通常比较大。为了支持网络运营商提供的服务，手机功能更加复杂，需要额外的硬件和更强的音频处理能力来处理日益多样的多媒体信息；同时需要额外的硬件来实现照相功能，并显示高分辨率的图像。为这些硬件模块供电对电池容量也提出了严峻的挑战。最终，所有这些因素导致了手机尺寸的增大。 

这些附加的特性有助于定义下一代电话--智能电话。制造商们在产品定位上有明显的区分：高端智能电话应该有高端的通信和应用功能，而低端的、集成度更高的手机则更多地着眼于更高的性价比和可大批量制造的能力。 

音频子系统方案 

低端和高端手机的音频功能有不同的要求，除了基本的语音和铃声两个简单的音频信号源以外，当前部分中高端手机还有MP3播放、收音机等音频信号源。国半的LM4906是针对大众手机市场的Boomer系列的最新产品，该芯片及其应用方案可以实现简单蜂窝电话音频功能，无需附加的旁路电容，压缩了成本和PCB空间以及制造时间。包括扬声器在内，此方案仅需要三个外接元件。 

高端智能电话是指通信和应用分离，为两种任务分别配置单独的处理器，并且将其中之一作为主处理器的架构。主处理器通过I2C兼容总线控制包括音频子系统的其他子系统。 

LM4930是针对智能电话等具有复杂要求的音频子系统方案，满足具有更多输入输出要求的应用。在LM4930的输入端(左侧)有两个接口：第一个是I2S输入，为来自应用处理器诸如MP3回放等FM广播以及和弦铃声等内容提供了全频带数字音频接口；第二个接口是双向PCM接口，用来处理来自通信引擎的语音信号。 

在输出端(右侧)是立体声耳机输出端口，以及不需要外加电容的喇叭输出端口和麦克风直接输入端口。该单片集成电路提供了完整的蜂窝电话设计所需要的音频解决方案。 

对于所有的蜂窝电话设计而言选择正确的封装是至关重要的，LM4930采用了micro SMD先进封装技术，在3.2mm×3.4mm的封装中总共有36个引脚。 

相机图像处理 

由于数字相机市场的成长，数字成像领域有了长足的进展。但即使到现在，在手机中集成数字相机仍然具有一定挑战性。从外接相机模块到相机模块被集成到电话中已渐渐成为高端电话的必备选项。 

图像处理集成模块有两个组成部分，分别为图像传感器和图像处理器，它们分别有各自不同的特性与需求。图像传感器使用CCD或CMOS技术，而CMOS图像传感器相比CCD图像传感器在移动应用中有着更低的电源电压、更低的功耗、更高的集成度等优势。 

CMOS图像传感器的任务是通过将落到光电二极管阵列上的光线转换为相应的电信号来成像，而图像处理器就提取这些信号并将其转换为经过校正并具有适当格式的数据，以便手机内其他子系统使用。图3展示了典型的图像处理子系统，此模块完成的功能包括镜头“黑点”校正、坏像素(“死点”)校正、色彩插值校正、伽玛校正、色彩空间转换、饱和度调整，以及在图像以诸如YUV 4:2:2等可识别格式输出前的效果处理。 

电源管理 

图像特性涵盖了其它能使手机更具娱乐性并对于用户而言特色更丰富的功能。然而，为了使用户能充分体验这一点，电池必须应付由新服务和新特性带来的额外功耗需求。 

手机的使用模式也在发生着改变。例如，最初的手机只是用来进行通话，然后便进入低功耗模式直到又一次电话呼入或呼出。SMS和EMS从根本上改变了手机的使用模式，用户长时间使手机保持工作状态以进行文本输入操作。由于功耗的增加，这一模式的持续使得对电池容量的需求进一步增加，而前面谈到的新音频应用和图像处理将产生更多的功耗。 

当前，电池技术的发展还不能适应新的功能更丰富、体积更小的手机的需求。彩色显示器的采用对电池容量(特别是电池本身的体积也比以前更小)带来了很大的挑战。 

国半公司的LP398x/LP399x系列低压差调节器和LM260x/1x系列DC-DC转换器提供了手机的低功耗设计方案，在稳压器自身上的压降在300mA时处于120mV范围内。这些器件的另一个特色是，当某个子系统不需要当前的工作模式时，可以将其关闭。LDO的典型关断电流在纳安量级。 

手机的另一个非常明显的趋势是采用彩色显示器。无论STN或TFT技术的彩色液晶显示器都需要一个很好的白色背光照明以使其正常工作。另外，交互性操作以及游戏和视频传输需要屏幕具有更高的分辨率和更大的色彩深度。 

廉价并可靠的光源是白光LED。然而，保证所有的LED具有相同的驱动电流并以同样的亮度发光是至关重要的。国半的LM35xx系列开关电容稳压器和LM27xx开关电感稳压器能满足工程师的白光LED驱动设计。图4所示为采用LM2794的LED驱动控制电路。 

作者：Andrew Johnson 
高级应用工程师 
国家半导体公司