德州仪器：智能家居音频设计入门

近年来，智能家居技术一直在迅速发展。越来越多的家庭采用 Amazon Echo 和 Google Home 等智能扬声器。一度只生产简单家用设备的公司，现正面临着高保真音频输出的需求。这种音频输出远远不止于普通的哔哔声或是通知衣服已经清洗完毕的音乐声；此音频技术能使电冰箱大声报读食品清单，或让照明开关提醒人们在离开房间之前关灯。

增添先进的音频功能是令人怯步的艰巨工作，会使本已紧张的工程设计团队的时间表变得复杂纷乱。在本篇博文中，我将探讨与智能家居音频设计相关的四大挑战和如何简化设计过程的方法。

1.难以定义项目要求。

您要从事的项目听上去很简单：让这件设备讲话。但伴随音频输出的是许多设计选择和挑战，从一眼看过去都非常近似的海量选择中挑选出适合的放大器，不是一件容易的事情。

为了简化选择放大器的过程，TI 的交互式框图针对特定智能家居应用提供组件方面的建议。例如，图 1 显示的智能扬声器框图，重点介绍了功能能够满足多种智能家居设计要求的音频子系统和大量扬声器放大器。同一页上的音频参考设计附带可用作项目模板的原理图和配套部分，既增加了系统级知识，又降低了组件选择的难度。

图 1：智能扬声器框图

TI 框图是开始设计的很棒的第一步，但是扬声器放大器的选择最终将取决于您的项目要求。最常见的智能家居产品要求中的两个，是高效率和简洁而重点明晰的设备概要文件。

2.音频输出和先进功能会降低能源效率。

为智能家居设备添加额外功能会增加功耗，音频功能也会导致这样的结果。随着科技公司不断努力开发绿色环保技术和政府颁布有关备用电源的法规，优化下一代产品使其功耗不断下降就变得日益重要了。低效率的音频系统是浪费功率和降低用户满意度的主要元凶之一，它增加电费开支，还能更快速地消耗电池电能，甚至使设备发热。

音频放大器不总是起到上述作用，但是在用户需要反馈或通知时，它们则必须响应；想一想闲置模式下的安防摄像机或智能显示屏，就会明白其中的道理。另一方面，在开泳池派对时，蓝牙® 扬声器需要高效播放夏日乐单，这样它的电池才能维持一整天。

为解决以智能家居为核心的应用问题，TI 最新的扬声器放大器拥有了先进的内置功耗管理功能。这一专有的混合调制方案可将 》12-V 系统中的待机电流损耗降至最低，同时采用音频信号包络跟踪算法的板载 H 类升压设置，能够将电池供电系统的电池续航时间延长多达 40%。图 2 说明了受算法控制的多步升压，尤其是在播放音频且增益较低的情况下，是如何显著节约固定式 12V 电源轨的功耗的。

图 2：H 类多步升压轨为固定式 12V 电源轨显著节省功耗

3.物理条件局限限制了音频性能。

电子设备已经缩水为极简洁的设计。家用设备小巧的外形从未给音频功能留有余地，这使得添加额外组件，比如放大器、数字信号处理器（DSP）、升压转换器和扬声器，而又不增大总体尺寸成为一件困难的事情。

TI 的音频团队充分考虑了这些局限，把主要精力放在制作集成更多功能的放大器上，以便减少外部组件并优化音频子系统占用的空间。

智能家居生态系统的核心是智能扬声器，它的高品质音乐和虚拟辅助反馈对于博取高用户满意度至关重要。增添音频 DSP 来产生高品质输出，亦同时增加了成本和印刷电路板（PCB）体积。TI 提供集成了处理能力的音频放大器，于是用户可以调节扬声器输出最清晰的虚拟辅助响应和最丰富的音乐体验。外部回声消除算法甚至能够利用预处理后的信号，帮助智能扬声器更准确地区分音频输出和用户语音命令。

D 类扬声器放大器的高开关频率，导致电磁干扰（EMI），使音频信号失真。这通常需要由多个大型电感器进行抑制。但是诸如扩展频谱和相位优化等功能不需要外部电感器就能抑制 EMI，既节省空间和成本，又能产生超低失真的音频输出。

一般来说，扬声器输出功率与其尺寸紧密相关；如果您想要更大的音量，就需要更大的换能器，但在设计空间局促的产品时可能无法使用换能器。可视门铃需要高声和清晰地输出家庭主人说的话，即使在嘈杂环境中也必须做到这一点，同时还要保持小巧纤薄的外形。适合这些设计的智能扬声器，输出的功率也较低，因此更易于因过热和超温而损坏。但由于有了 TI 扬声器保护算法，较小的扬声器也能安全输出较高音量，达致前所未有的优越音质。

如图 3 所示，采用扬声器保护算法的 TI 智能放大器，使工程师能够充分利用扬声器功能和输出更高的平均功率，而又不会把换能器集成从设计中拿掉。在智能家居中，音量的视场合变化意味着访客坐在车里，即使旁边有汽车飞驰而过，也能轻松听到主人的声音。

图 3：扬声器保护算法使扬声器能够输出比传统放大器高出两倍的音量，同时不会损坏元器件

小外形装置散热不佳，也给不断缩小的智能家居产品带来了问题。热量可以损害内部组件，形成不良的用户体验，或者如果未能正确处置会引起装置起火。设计时牢记散热，就表示考虑 PCB 布局和铜线厚度，或部署如温度折返等功能使扬声器放大器减少散热，方法是在过热情况下，动态调节音频信号的增益。在设计安全可靠产品的初始阶段，就必须牢记热量管理。

4.运用先进的音频放大器技术/功能，要求深厚的专业技能，并且实施起来有难度。

先进功能能解决许多问题，这在方案研究阶段听上去很不错，但如果很难实施就没有什么价值了，尤其对于首次设计音频的工程师而言更是如此。从零开始构建特性或通过外部组件实施是困难的，一来不能有效使用 PCB 空间，二来需要电力电子和信号处理方面的专业知识。为简化下一代产品的设计，TI 不仅为放大器集成了多种功能，而且还提供免费的软件工具帮助用户轻松控制它们。

PurePath™ Console 3 软件套装通过连接各设备的评估模块（EVM）简化了对这些设备的操控，便于工程师在现代化且易于使用的图形用户界面中迅速调整音频输出、标定设置和体现扬声器的特征。

逐步调节和特征化向导及大量培训资源，拉平了与学习新工具相关的学习曲线（即，降低了学习难度，减少了学习时间）。该软件兼容多种 TI 音频评估模块（EVM），支持项目在未来采用新设备，软件套件则不需要变化。

由于功耗管理、扬声器保护和音频均衡都集成到了 TI 设备中，通过 PurePath Console 软件可以轻松配置它们。它们只需要很少或完全不需要额外的软件开发工作，这使得我们运用这些设备和软件便能够创造出高功耗管理效率、高保真的音频子系统，在提高用户满意度之余，有很大的把握能够契合总体项目时间安排。