炬芯(Actions)SmartSpeaker ATS281X之硬件设计指南(1)

ATS281X 藍牙芯片系列,具有豐富的接口和更高的帶寬,更多的內存。其中ATS2819可以應用在更多的差異化市場,如藍牙耳機,拉桿音響,後裝車機,麥克風,智能音響等等。在此將對硬件設計,EMI,ESD,校準,認證做一系列完整的介紹。

更多的功能及應用,請参考大大通-方案知識庫“基於炬芯(Actions) ATS2819的TWS藍牙音箱方案”

https://www.wpgdadatong.com/solution/detail?PID=5238


(六)硬件设计指南(1)

一、总体说明

1.模块划分
ATS2819/ATS2819P 标准应用方案主要分为以下功能模块:
Power Supply , BlueTooth , Audio Input/Output( 包 括 codec 、 I2S 、 SPDIF),FM Receiver,display(LED & LCD),USB,SPI NOR Flash Memory, SD/MMC/MS Card 等。

2.原理图设计总体原则
1>原理图设计需按照方案规格的要求实现各项硬件功能,尽量避免功能模块相互间的资源 冲突。如果存在 I/O 复用,接口复用等情况,除了需注意检查 I/O 上电状态,接口时序 等,还需要注意复用的 SIO 口工作频率与工作电压域是否符合要求(如 WIO,具体在第 八章描述),确保功能设计正确实现。
2>原理图设计要求性能达到要求。如稳定性,启动电压,功耗,ESD,EMI 等。要注意检查 模块电源开关状态,选择的元件标称及精度、材质,接口保护元件和 EMI 滤波器等。
3>系统时钟 26MHZ,要求 CL 为 7~9PF,精度为±10PPM。这样才能保证系统能正常工作。
4>当设计 PCB 受限于模具大小时,各个模块无法保证均能得到最优的布局布线(如滤波电 容要求靠近 IC、走线上要求尽可能少的过孔与尽可能短的走线)。因为在此给出一个模 块优先级以供设计人员参考,从而提高方案设计的效率,增加一版 work 的可行性。将 优先级以阿拉伯数字排列,1 为最高:




3.PCB 设计总体说明
1>PCB 设计推荐 2 层板。地线的铜箔尽量大且完整,使用地线将高速信号包住,或者通过 地线将敏感信号和干扰源隔离开。
2>ATS2819/ATS2819P 有 AGND 与 GND 两个地,其中 AGND 为模拟地,layout 时要注意分地 处理。具体在第五章讲解
3>元件布局尽量将敏感元件放在 PCB 中间,如主控,Flash,晶体等。而将其他非敏感元 件放在 PCB 边缘,以减小敏感元件受静电放电损坏的几率。
4>如有 EPAD 的器件,需要多打地孔
5>IO 口的控制线、时钟线和数字信号走线,一般走 5~6mil,模拟的音频线一般走 8mil。 对于电源走线,可根据电流的大小来决定,一般会在 15~25 mil 之间。
6>整个 PCB 的地平面要完整、连通。如器件过多或板子面积小,尽量保证有一面的地完 整并多打地孔。ESD 器件到电池地有一块完整连通的地平面。
注:所有 PCB 走线,最好能设计成微带线。

4.模具设计总体说明


1>作为蓝牙音箱方案,模具设计要充分考虑扬声器音腔的设计,这需要专业的音箱设计人 员参与模具设计。腔体的组装密封性一定要好,不能漏气。
2>有蓝牙通话功能,模具最好保证 SPEAKER 与 MIC 之间有良好隔离,减少 SPEAKER 声 音传到 MIC 里面,导致蓝牙通话效果变差。所以,喇叭和 MIC 都需要用密封胶封住。 而且,SPEAKER 和 MIC 最好不要放在同一面。否则,也会影响通话效果。
3>对于 Speaker 的选择,保证喇叭声音的线性度在 4KHz 以内要好。
4>有谐振腔的,需要将谐振腔当成 speaker 来对待。
5>在蓝牙产品的模具设计时就要充分考虑蓝牙天线的摆分放位置及方向,天线周边的空间 不能有干扰物件存在。包括金属,如 SPEAKER 和金属外壳;还有排线,如喇叭、电源 排线等 。
6>在确保天线能良好发射的情况下可考虑做部分金属外壳与 PCB 板共地,提高 ESD 性能。



二、电源模块与地的设计

ATS2819/ATS2819P 的电源模式有:锂电池方案,USB 供电模式,无内部充电模块。支持软关机状态下的触发唤醒。
ATS2819/ATS2819P 有模拟地(AGND)与公用地(GND)两种地,其中 AGND 作为整个模拟模块的参考,必须和 GND 分开,设计上采用分地设计、单点接地处理。为了避免 GND 上各 种抖动、地弹对 AGND 的干扰,共地点的选择有两个原则:一是靠近电池的地(同理如果是 USB 供电则靠近 USB 的回流地);二是避开功率大(如功放地)、信号翻转快信号(如数字模 块地)。
使用 AGND 可以极大提升整机音频性能。如在音响方案中,若功放是差分输入端,将差 分输入正端的器件接 AGND,可获得低于接 GND 的底噪,同时可以减弱抑制蓝牙产生的干扰 信号

1.电路图设计及其原理说明
系统电源网络来源及作用说明:


1>BAT 电源是给 IC 供电及 VCC 等电源的由来,因此设计电路时 BAT 需和其他抽电猛 的电源隔开(如 PA 电源),防止瞬间抽电将 BAT 拉低导致整机挂掉。标案中采用 BAT PIN 直接检测电池电量,低电检测的阈值可以自行设置
2>VCC_RF 是给 RF 系统供电,直接取 VCC 电。每个 RF 电源脚都需要就近放置一个 104 电容,并预留一个 ESD 器件。VCC_RF 布线时,必须先通过滤波电容再到 RF 电源 pin 脚。在 VCC_RF 网络上的 ESD 器件接地端要有完整地平面到电池地。
3>由 IC 输出的 VCC/AVCC 可提供给外设使用,但各个外设必须有独立滤波电容,以防止某个外设异常抽电导致 VCC 电压跌落,影响其他外设甚至 IC 的正常工作。除了 加滤波电容,建议每个使用 VCC 的外设都使用小电阻(如 2.2R/4.7R)隔离。同时 设计时需考虑各个电源的最大负载能力,不能超出范围。
4>SVCC 在 S3(软关机)下仍有电,一些需要在 S3 下继续工作的外设如 RTC 芯片,可 用该电源供电。
5>IC 电源的滤波电容接地要求:AVCC/VREFI 需要接 AGND,BAT/VCC/VCC_RF/SVCC 均 接 GND。
6>关于 AGND 的使用,除了模拟电源接 AGND 外,音频模块接 AGND 以避免其他模块导 致地抖动。如 linein、MIC 的地接 AGND。但需要注意:AOUT 的参考地是 GND 而非 AGND,因此耳机座不应该接 AGND。
7>ATS2819/ATS2819P 支持软关机下的唤醒,除了 ONOFF 拉低唤醒,可使用 WIO 唤醒。 WIO 有四种唤醒方式:高电平、低电平、上升沿、下降沿。高电平为 3.1V,做 DC5V 唤醒时需要分压电路。

2.PCB设计说明
1>各个电源的退耦电容尽量靠近 IC 的引脚,以达到良好的退耦效果。如 VREFI、 VCC_RF 等对与整个系统至关重要的要尽量保证电容布局在退耦电容的退耦半径 内(一般距 IC 60mils 以内)。退耦电容的地端应就近打孔。在 PCB 面积小的时候应 该优先确保优先级高(在 2 中已给出)的靠近 IC,同优先级的则容值小的靠近 IC。
2>确保各个电源的走线宽度能够承受相应的电流,在允许的情况下尽量加粗,减小电 源走线阻抗。且要避免单面走线呈环形,尽量使用星型拓扑结构。
3>AGND 要避免长走线的形式,需要完整的平面以减低阻抗。对于 AGND 与 GND 的共地 点选择原则在章节开始已给出。

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