便携设计中模拟开关的变迁

引言 　　
与电源设计应用中传统大功率 MOSFET 开关和存储应用中多位数据总线开关相比，模拟开关大大不同。一般来讲，模拟开关主要用于切换手机等便携式设计中的小功率模拟信号。但是，在最近的便携式设计中附加功能的推动下，模拟开关从传统的低带宽音频开关发展成为高速混合信号开关。由于模拟开关具有低功耗、低漏电流及小封装等特点，在某些设计中甚至可以将其用作低功耗 DC 信号开关。本文会介绍模拟开关的迁移轨迹，让读者了解便携式基带设计的市场趋势。
　　
变迁轨迹

图1 基带功能推动手机功能变迁

　　
如图 1 所示，手机已从简单的单语音功能发展成为带有 MP3 或音乐铃声等大功率立体声音频的通讯工具。至于视频功能，简单的低分辨率相机已经过时，而高于 200 万像素相机已经成为大多数中高端手机的标准功能。由于低功耗数字式广播调谐器适合便携式应用，带有复合视频输出的手机将在市场强势出现，从而满足外部大型显示器或者专业投影仪显示等专业应用需求。
　　
现代的手机设计都嵌入了 MP3 功能，对于数据路径而言，传统以 UART 为基础的接口已不能满足最终用户的下载要求。因此，USB 1.1 全速 (12Mbp) 甚至是 USB 2.0 高速接口在带嵌入式硬盘或可拆卸大型存储器的 MP3 手机设计中越来越普遍。
　　
纯音频开关从高导通电阻迁移到超低导通电阻
　　
响应图 1 中手机功能的变迁，最初在手机设计中采用模拟开关是由于大多数基带处理器只有有限的音频输出端口，如图 2 所示。那些低端处理器只有单语音输出，通常需要进行语音隔离将其分别接到听筒或者耳机中。相对于 32 欧姆的耳机阻抗，这些开关通常具有大约 10 欧姆相对较高的导通电阻。开关的插入损耗通过前置放大器级来补偿。大多数应用中的控制电压与开关的 3V 供电一致。

图2 便携设计中模拟开关应用功能的变迁

　　
在节能及更佳的总谐波失真 (THD) 需求带动下，市场出现了 1 欧姆开关，在 0 到 VCC 的输入电压之间具有平坦的导通电阻。对于免提电话等功能来说，来自基带处理器的语音输出可以路由到耳机和内部的 8 欧姆扬声器上。由于放大器置于开关之后和扬声器之前 (见图 2)，在这些应用中 THD 规范遂成为关键因素，以减小信号放大失真。
　　
随着大多数基带处理器设计需要进一步降低功耗，通用 I/O (GPIO) 数字接口需要提供更低的输出高压阈值电平 (VOH)。对于这种应用，该电压可低至 1.8V。但是由于 MP3 手机具有大功率立体声音频的需求，开关电源电压可以达到 4.2V，或者直接由电池供电。因为控制电压输入高电平 (VIH) 与开关电源电压之间存在失配，设计要求增加额外的电平偏移变换器以减小静态漏电流。这样不仅增加了设计难度，还提高了材料成本。在这样的便携式应用中，非常需要能够识别低控制电压 (1.8V) 的模拟开关。
　　
由于正电源下，模拟开关建议用于传输正电平信号，因此需要在开关之后设置 AC 耦合电容器为耳机或接收器阻隔 DC 成分。同时，考虑到扬声器的阻抗大约为 8 欧姆，而在 4.3V 电源下这类应用中的音频开关一般拥有低至 0.35 欧姆的导通电阻，能够进一步降低高导通电阻开关的插入损耗所带来的功耗。
　　
混合信号和高速数字信号切换
　　
市场对于薄型滑盖手机等小巧手机的需求强劲，低引脚数连接器设计对用户而言十分重要。UART 或 USB 等数字信号将与音频输出共享连接器的引脚，如图 2 所示。大多数音频信号都需要耳机用的耦合电容，但是必需设置在开关之前，这与上一节所述的应用不同。在这种情况下，开关必须能够在单边正电源供电下接收负信号。此外，设计人员非常希望能够拥有带自动 USB 插入感测功能的开关，以便节省 GPIO 硬件资源。当然，这些开关允许设计人员使用手动控制来进行选择，随时强迫开关转向音频通道。
　　
当外部 USB 插入时，手机可以使用 VBUS 作为主电源而进入节电模式。外部 VBUS 可以直接作为开关的电源。为了在没有外部 USB 插入时实现可靠的音频切换功能，需要独立的音频通路电源。这个双电源的特点与前几代的单电源音频开关有很大分别。对于这类混合信号切换产品，具有高带宽 USB 通路和低导通电阻音频通路的不平衡信道还具有特殊的应用功能。

此外，MP3 和 MP4 手机的快速下载功能需要具备 USB 2.0 (480Mbps) 的高速接口。在这类设计中，全速 USB 器件将与闪存控制器等其它高速 USB 控制器共享相同的连接器D+/D- 引脚。为了兼容 USB 2.0 信号眼图规格，使用具有超低断开电容的 2 位单刀单掷 (SPST) 开关有助于隔离全速控制器的大输出电容（包括断头线和传输线电容），如图 3所示。

图3 硬盘电话设计中高速USB开关

　　
未来展望
　　
如图 1 所示，随着在亚太地区，尤其在中国即将推出大量的 3G 应用，数据、音频和视频切换应用对专用开关的需求潜力巨大，能够缩短产品上市时间。面对这些应用，需要大量具有小封装、低功耗、优良的电源抑制比  (PSRR) 和高信噪比 (SNR) 的开关。模拟开关正在从传统的低吞吐量模拟音频信号开关转移至混合信号路由/调整中央单元，而该单元是处理器真正关键的同伴芯片。在便携式产品市场下一代讲求纤细和美观的产品设计中，开关肯定是不可或缺的重要组成部分。