基于炬芯(Actions) ATS2819的TWS蓝牙音箱方案

5月31日,荣耀在上海举行新品发布会,潮配家族也迎来“大音量重低音、单手可握、双组合立体声”的荣耀魔方蓝牙音箱。6月21日nova 5系列发布会上,华为还带来了多款周边产品,包括专为nova 5定制的mini蓝牙音箱。华为mini蓝牙音箱一如其名非常小巧,高度仅仅56mm,直径不过50mm,而且采用悬挂式设计,可随身携带,同时表面只有一颗开关按键和一颗红蓝双色指示灯。TWS真无线技术在蓝牙音箱上的使用,让用户彻底摆脱线缆,不论是在家里还是室外的任何角落,自由地组成立体声扬声器系统。蓝牙音箱可以通过TWS真无线技术,两个一组配对,主打卖点天生一对,双声环绕;双音响轻松配对,畅享立体音效。这两款主控芯片均来自炬芯ATS2819,专为便携式和无线蓝牙音频设备应用。单芯片架构,轻巧、省电,可以节省前期开发投入快速上市。支持蓝牙4.2,以及蓝牙通话功能。

我们了解到市面上见到的米兔故事机mini、Anker Soundcore Flare燃!无线蓝牙音箱、小米电视音响、AbramTek艾特铭客E6无损蓝牙音效播放器、abramek艾特铭客 金刚4 蓝牙音箱等音频产品均采用了炬芯音频解决方案;

一、总体说明

1.1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、I2C、SPDIF),FM Receiver,disaplay(LED&LCD),USB,SPI NOR Flash Memory,SD/MMC/MS Card等。         

1.2原理图设计总体原则
1原理图设计需要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,接收复用等情况,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工作频率与工作电压域是否符合要求(如WIO),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,选择的原件标称及精度、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、走线上要求尽量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据排列,1位最高:
        

1.3 PCB设计总体说明

         1 PCB设计推荐2层板。底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。

         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,以减少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扣的控制线、时钟线和数据信号走线,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15~25mil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,尽量保证有一面的低完整并多打地孔。ESD器件到电池地有一块完整连通的地平面。

1.4模具设计总计说明

         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,模块最好保证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,也会影响通过效果。

         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 有蓝牙产品的模具设计时就要充分考虑蓝牙天线的摆放位置及方向,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。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。

         ATS1829/ATS1829P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,共地点选择有两大原则: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(如数字模拟地)。

         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。

         2.1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,因此设计时BAT需和其他抽电猛的电源隔开(如PA电源),防止瞬间抽点将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可提供给外部使用,但各个外设必须有独立滤波电容,以防止某个外设异常抽点导致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隔离。同时设计时需要考虑各个电源的最大负载能力,不能超出范围。

         2.2 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4.2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。且避免单面走线呈环形,尽量使用星型拓扑结构。

 

三、蓝牙模块

         BlueTooth部分属于射频电路,较为敏感,RF的电源的滤波电容要尽可能靠近IC。由于蓝牙与系统是共用一个晶体的,更换晶体时,需提供该品牌靠近0 PPM 和 +-10 PPM 的晶体来调整负载电容。软件上可以微调IC内部电容来小范围调整频偏,主要是通过外部负载电容来调整。一般外部电容选取同晶振的CL电容相等,电容精度要求是+-0.25pF。

         在天线端预留tt型匹配网络。天线匹配电容的参数,需要根据实际效果来确定,遵从的是天线谐振点在2.4G前的,匹配参数要往小调。反之,谐振点在2.4G后,需要往大调。
         

         在传输线靠近天线端与IC端增加TVS管以保护射频电路。同时考虑到不影响到天线阻抗匹配,该TVS管等效电容要选取小于0.5pF。

四、 USB部分

         USB接口的DP和DM不要接反。USB DP和USB DM为差分信号线,应遵循差分走线原则,差分阻抗90+-10%欧姆;差分线包地处理,少打过孔。USB走线不要有分叉,如果同时有HOST功能,USB走线必须先到USB HOST口,再到USB DEVICE口。

五、 Nor Flash模块

         5.1电路图设计及其原理说明

                   ATS2819/ATS2819P 内建两组SPI控制器,均支持一线和两线方式。其中ATS2819 MCP NOR Flash,所以只有SPI1 可供使用。

         5.2 PCB设计说明

                   1 Flash属于干扰较大的数字电路,其读写信号线和数据信号线的电场辐射较强,频率不固定,有可能影响Audio部分,设计时注意将这些网络远离Audio和RF部分,在需要通过EMI的方案中,尽量将这些网络埋在PCB内层,并通过底层隔离。退耦电容靠近Flash的管脚放置。

                   2 Flash的读写信号线走线尽量短、少打过孔、包地处理。

六、 ESD注意事项

         ESD涉及了硬件和模具设计,同时和软件的配置相关。对于方案端原理图的ESD设计重点在于:在对静电敏感的信号线增加MLV,重要信号线加TVS管;RF走线需要加TVS管,且靠近IC端放置;根据实际PCB走线,在重点电源增加MLV或TVS管;TVS管的插入损耗必须小,特别是RFIO上的TVS管的等效电容必须要小于0.5pF的。

         6.1 电路图设计及其原理说明

                1视频信号传输线上需要加TVS管,其中靠近IC pin脚放置的TVS管必须加上,靠近天线放置的TVS管必须预留位置,视实际ESD情况决定贴或NC。
                   
               2.敏感信号线加MLV/TVS管。如ONOFF、卡的CLK/CMD/DATA、USB的DM/DP等,ONOFF与IC之间必须串接一个电阻,阻值为47K。

                
               3.在重要电源上要加MLV/TVS,如RF模块的电源VCC-RF。

                 

         6.2 ESD硬件PCB设计

                   1.对于方案PCB一般受限于成本和模具等因素,一般面积较小、PCB层数也多为两层板。因此ESD前期的器件布局和走线就显得尤为重要。整体设计重点有以下:

                   (1)若PCB选择四层板,则使用叠层结构:S-G-P-S或S-P-G-S,其中电源可以走在内层,地层要靠近高速信号线和主控。

                   (2)RFIO网络的TVS管靠近IC放置,TVS管的地周围就近打孔,并保持有背面有一层完整的参考地平面。
                          
                             
                            

                   (3)走线要尽量远离板地,一些主要走线。如复位,在布局上尽量远离USB座、TF卡槽等静电击打点。若是四层板则ONOFF走线要走在内层。

                     

         6.3 ESD模具设计

                   1若想要设计模具时就考虑ESD则建议使用金属外壳,并和PCB地相连

                   2 模具密封性要好,除了必要的USB、卡座、耳机座等,其余的尽量不要露出来

                   3 模具最好设计成一个PCB板,尽量不要设计成多个板子

 

七、 EMI

         ATS2819、ATS2819P方案中EMI辐射较为严重的模块有:卡模块、USB模块、SPI NOR模块、外部DC/DC模块、外部classD 功放模块、FMCLK信号线等

         7.1 EMI原理图设计

                  1 每个电源都要加小电容,退耦电容尽量靠近IC PIN脚。

                   2 卡信号线的 CLK/CMD/DATA和SPINOR的MOSI/CLK上串接22R电阻,以此减弱EMI辐射。

                   3 Class D功放输出端加滤波电路(一般使用LC滤波不损耗能量)来减弱EMI辐射。

                   4 USB的DM/DP增加共模扼流圈,同时电源增加RC滤波电路。

         7.2 EMIOCB设计

                   1 若需要过EMI认证的推荐PCB使用4层板,叠层结构使用S-G-P-S或S-P-G-S,其中高频易产生EMI干扰和敏感易受到干扰的信号线从IC一出来就打孔下到内层去,并确保顶层和底层都有一块完整性和连通性好的地平面覆盖。

                   2 若使用2层板,则需要把EMI辐射较大的器件和信号线尽量靠近PCB板内,信号线用底线包起来并在底线均匀多打孔。
               

                   3 当audio底噪等性能在可接受范围时选择不分地,让整个地平面完整。铺地尽量将整个系统包起来,边框处和空白处多打地孔。

                   4 当分主板和子板时,如果子板上有TF卡座、USB座等较大辐射时,主板与子板之间的排线至少需要2个以上的地线点,并且要两个点要相邻在一起。最好使用具有EMI屏蔽效果的排线,排线尽量短、粗。

 

软件开发环境搭建
ATS2819编译工具链为:GNU开发工具集,而我们开发所用的操作系统是Windows系列操作系统,所以必须安装cygwin 平台,关于GNU开发工具集与cygwin 相关知识网上也有非常丰富的说明;
1、Cygwin安装
因为我们只需要使用 GNU 编译工具集,所以只需要安装 tidy 版本就行了。注:full 版本安装很慢,并且很容易安装出错,不建议安装。
如果之前没有安装过,请按照第1节全新安装,如果你曾经安装过cygwin,但是安装在系统盘,或者不确定是否仍然可用,请按照第2节方法完全卸载,再按照第1节全新安装。

1.1、全新安装 cygwin
前提:
1) cygwin 不可以安装到系统盘符下,因为容易被其他软件尤其是查杀软件误操作。
2)安装 tidy 版本的 cygwin,需要至少 600M 的空间,请安装前确认可用分区。下面的安装步骤是安装到 D:\,也可以是其它分区(除了系统盘)。
3)cygwin 需要安装到根目录下,不可安装到类似 D:\Program Files\cygwin 的路径。
4)如果你之前曾经安装过 cygwin,安装在系统盘,或者不确定是否仍然可用,请先卸载,卸载方法参照第2节。
步骤:
1)将 tidy版本 cygwin 拷贝到本地目录D:\MIPS_TOOLS\cygwin_tidy, 此路径就是下面步骤5)的路径。
2)双击 setup.exe,按下一步。
3)选择 "Install from Local Directory", 按下一步。

4)选择非系统盘的根目录作为安装路径D:\Cygwin, 按下一步。

5)选择源安装程序的路径,按下一步。

6)点击All旁边的红色框位置,Default 会变为 Install (如果 PC 反应慢,可能等几秒才会变,再点会继续 Reinstall--->Uninstall--->Default--->Install 循环,我们安装时让其处于 Install 状态),按下一步继续就可以了。

7)后面等待安装结束就可了(需要几分钟才装完)。如果在安装过程中提升类似“内存错误“,很可能是你的PC内存不足,可以点击”取消“,然后“重新启动”PC("注销"不能完全释放内存),再重新安装。
8)设置环境变量。在"环境变量"窗口下的"系统变量"子窗口中,在“path”值增加“;D:\Cygwin\bin”(路径间用分号,最后的结尾不需要;注意:系统环境变量值为";D:\Cygwin",可以在cygwin中 make,但是无法在 cmd 命令行中 make,而造成静态代码分析工具 QAC 等需要调用 make 工具的其他工具运行失败)。
9)检查文件D:\cygwin\cygwin.bat 中的路径是否为“chdir D:\cygwin\bin”,如果是则跳过,否则修改为此路径"chdir D:\cygwin\bin"。

1.2、卸载 cygwin
假如你之前将 cygwin 安装在 C:\Cygwin, 按照下面步骤删除 (如果某些步骤中所描述的项目已经不存在,可以略过):
1)按照第1节的 1)至 4)步操作,在第 1 节 第 5)步的界面,红色框处于 Uninstall时,按下一步进行卸载,直到完成。
2)删除 C:Cygwin, 以及其所有的子目录。
3)删除系统环境变量path中 C:Cygwin 开始的路径。
4)删除开始--->所有程序中下图中的3项(直接右键删除)。

5)删除注册表中的项目(开始--->运行,输入regedit)
" HKEY_CURRENT_USER_Software_Cygnus Solutions "
" HKEY_LOCAL_MACHINE_Software_Cygnus Solutions "

2、SDE工具链的安装
Cygwin 自带的 GNU 编译工具链是面向 PC 平台的,而我们需要的 GNU 编译工具链是面向 MIPS 芯片平台,必须安装 MIPS 公司的 SDE 工具链。SDE 工具链的安装文件为:PN0016-06.61-2B-MIPSSW-MSDE-v6.06.01.tgz。
安装步骤如下(下面使用命令行方式操作,用户也可以直接图形化操作):
2.1 拷贝 PN0016-06.61-2B-MIPSSW-MSDE-v6.06.01.tgz 到目录 D:\cygwin\tmp\ 下。
2.2 cd/usr/local  进入/usr/local,用户的应用程序一般放该目录下。
2.3 mkdir sde60601 创建目录 sde60601
2.4 cd sde60601  进入 sde60601
2.5 解压 "gzip - dc /tmp/PN0016-06.61-2B-MIPSSW-MSDE-v6.06.01.tgz | tar xf -"。
2.6 sh./bin/sdesetup.sh 执行 setup 脚本,设置一些环境变量。
Du you want to add a MIPS sim MDI library?
输入 n
Do you want to create an FS2 probe configuration?
输入 n
set environment globally in /etc/profile.d?
输入 y
2.7  关掉Cygwin 再重新打开,sde 工具链就可以使用了。








得益于丰富的接口和更高的带宽、更大的内存,ATS2819可以应用于更多的差异化市场,比如蓝牙钟机、拉杆音箱、后装车机、麦克风、智能音箱等。BLE、智能语音AI等相关规格陆续开发中,敬请期待。

场景应用图

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产品实体图

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