智能手机音频的改进：音量、音质和微型扬声器保护

z1d2ong

自从需要用大型包携带笨重无线电话的日子过去之后，蜂窝手机已经取得很大进展。普通手机已演变成为智能手机，具备笔记本电脑中所配备的许多特性。大多数消费者都会随身携带手机，将其用于短信、组织、多媒体娱乐等等。在推出平板电脑后，这些功能的可携带性已变得更加普遍。
由于手机变得越来越小并且包含的电子器件越来越多，留给“微型扬声器”的空间也越来越小。音频音量和音质已经落后于其他功能的改进。即便是最好的智能手机，在嘈杂环境中也难以听见常见的轻微尖细的声音。

图1  适用于手机和平板电脑的典型微型扬声器

当今高级智能手机的特性之一就是革命性的IC音频放大器设计，该设计可应对音频音量和音质问题的挑战。使用当前的电池技术，音频输出功率会受到限制。DC/DC技术通过提高电池电压使“微型扬声器”产生更高的输出电平克服了这一限制，然而，更高的音量仅仅是解决方案的一部分。这些新设计还提供不同级别的音频处理来优化音频质量和最大限度提高声压级(SPL)。此外，由于驱动微型扬声器时需满足更为苛刻的条件才能产生更高音量，因此要防止小型手机和平板电脑的微型扬声器发生故障，将其保护好至关重要。
在不失真的条件下最大限度提高声压级(SPL)目的是为了增大音频的感知音量。提高声压级(SPL)最显而易见的方法是增大输送到微型扬声器的功率，因此在受到3.6V典型电池电压的限制时，要克服的第一个障碍是从音频放大器中产生更高的功率。
我们可通过增大电压来增大输出。使用DC/DC升压转换器即可实现。典型升压转换器使用的是电感式交换机，这会导致根据负载的功率需求利用各种占空比进行高效功率传输。
假如放大器具有可支持更高输出功率的电流纯源化功能，则可降低微型扬声器阻抗，并且输出功率也会进一步增大。尽管可使用6Ω或4Ω微型扬声器，但最常使用的是8?微型扬声器。可使用效率更高的微型扬声器，但这会增加成本。使用压缩技术也可获得更高的感知音量，但这会降低波峰因数并增加输送到微型扬声器负载的平均能量。

微型扬声器保护
假设音频放大器有足够高的电压轨以及充分的电流纯源化功能可防止输出时限幅，则增大输出功率会导致意想不到的后果。微型扬声器本身具有最大额定功率，因此如果超过这些额定值，微型扬声器的声音就会失真，并最终会发生故障。那么，就具有较低额定功率的微型扬声器而言，您如何使用支持更高输出功率的放大器？使用微型扬声器保护即可完成。
使用微型扬声器时的两大主要考虑因素是热损伤和偏移损伤。如果微型扬声器音圈变得过热，则扬声器中使用的胶粘剂会开始分解。音圈本身可以燃烧。在任何一种情况下，热损伤都会导致输出失真和微型扬声器故障。偏移是膜片的最大移动。如果膜片移动过度，它会碰撞微型扬声器框架或从微型扬声器框架上分离，从而再次导致失真和微型扬声器故障。
有多种方法可实现微型扬声器保护。在某种程度上，所有方法都需要限制音圈温度和膜片偏移。微型扬声器建模在了解如何优化微型扬声器保护方面有重要作用。微型扬声器的运行情况具有相当的可预见性，因此必须了解电气机械关系，以设计出有效的扬声器保护解决方案。谐振曲线受外壳和温度的影响，偏移和温度受频率的影响。热时间常数会发生变化，而且膜片可能具有“光扇效应”，同时，微型扬声器磁体会受到热量的影响。在实验室中，使用高度校准的红外传感器测量扬声器热量，而使用精确的激光位移传感器测量偏移。针对个体扬声器和外壳，对因果关系以及其他关系进行了研究，以优化微型扬声器保护解决方案。

图2 典型的扬声器输入阻抗与频率之间的关系

有效的扬声器保护意味着不仅要最大限度减少或消除扬声器故障，而且还要保持完好的音质。例如，膜片偏移在频率较低时最明显，而在振幅较高时，移动频率较高的纯滑动高通滤波器会导致尖细的声音。要保持低音部分，则需要更先进的算法。理想情况下，无论扬声器保护是启用还是禁用，听者应当都听不出音频质量的差异，但他们能听到更响亮的音频。

图3 扬声器实现效果图
● 扬声器音圈温度在音频播放期间会上升，因此必须将其保持在扬声器最大温度额定值以下。
● 扬声器热保护可监控温度上升情况。
● 减小放大器增益可将扬声器音圈温度保持在最大额定值以下。
● 它可适应于不同环境，例如，堵塞的扬声器端口（这会增加音圈温度）。
● 在使用扬声器保护的情况下，温度可保持在安全区域（蓝色）内，而不会进入危险区域（红色）。
● 扬声器冷却且偏移在安全工作范围以内时，增益会恢复正常
从电路实现的角度来看，测量音圈温度的方法可能有所不同，需要权衡功率、准确度和成本。例如，必须考虑环境温度，以采用适量的实时扬声器保护。 多长时间进行温度采样、如何预测偏移以及如何调整放大器增益都是扬声器保护的重要部分。

总结
在迅速发展的智能手机和平板电脑平台上改进音频对用户体验非常重要。制造商逐渐认识到，消费者看重融合了极佳音响的多媒体体验，而他们也正在采取措施来实现这一点。音量、音质和扬声器保护是关键要素，而且必须全部考虑在内，以提供经过优化的有效解决方案。您可以期望看到越来越多提供该功能的IC解决方案。

roland

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