CN102510549A - 一种微型数字可编程音频处理芯片模组和走线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及嵌入式微型数字可编程音频处理芯片模组设计技术领域，具体是一种微型数字可编程音频处理芯片模组和走线方法，包括微型超薄板、数字音频芯片，存储芯片，振荡器，微型阻容，电池，导线，微型超薄板正面设存储芯片和数字音频芯片，反面设振荡器和滤波电路，存储芯片竖立，数字音频芯片横放，存储芯片靠近数字音频芯片管脚端，2520晶振设于存储芯片单板背面，接口焊盘设于音频芯片管脚下方，所述的微型超薄板制板加工时采用拼板结构，拼板之间设桥连邮票孔，拼板上设若干定位孔，构成芯片模块整体，本发明体积小，性能强，功耗低，可编程，高保真。可以用于制作多种音频相关设备。

Description

一种微型数字可编程音频处理芯片模组和走线方法

[技术领域]

本发明涉及嵌入式微型数字可编程音频处理芯片模组设计技术领域，具体是一种微型数字可编程音频处理芯片模组和走线方法。

[背景技术]

国内目前在超微型音频放大器领域还是处于相对落后的状态，只有模拟放大器可以做得小些，但是由于不可编程，功能单一，应用领域有限。而数字放大器大都使用TI通用DSP搭建，体积太大，功耗太高，不适于便携领域使用。该产品的设计填补了国内该领域的空白，是业内一个重要的里程碑事件，也从此摆脱了高端微型便携设备音频领域国外产品一统天下的局面，为国内批量生产高性能经济型同类产品打开了大门。一旦该产品批量市场化，就可以进行芯片掩膜定制，进一步提高产品市场竞争力。

放大器设计中的难点首先在于总体方案设计，既要保证功能足够强大，又要保证体积足够小，功耗足够低。完成总体设计后难点就是硬件设计，由于产品使用便携性，轻便性和隐蔽性的要求，模块不能比米粒大多少。要求使用超小体积器件和超低功耗器件，硬件完成后的难点是相关软件算法和实现。经过对相关领域的研究和百余篇学术论文的查询，发现国内相关水准还处于理论而非实用阶段，理论上基本上也是相对国外前沿水准差15到20年水平。无法进行商业转换使用。

[发明内容]

本发明的目的是解决现有技术的不足，弥补现有技术的缺陷，设计一种以便携设备用微型通用音频芯片为核心，通过精心布局设计，能把配套的存储器，振荡器，泵压源，滤波器做到最小定制，并能结合相应的软件设计，实现在2mm*3.6mm*6.3mm的厚膜电路上，实现完整的音频模块功能的微型数字可编程音频处理芯片模组和走线方法。

为实现上述目的设计一种微型数字可编程音频处理芯片模组，包括微型超薄板、数字音频芯片，存储芯片，振荡器，微型阻容，电池，导线，其特征在于所述的微型超薄板正面设有存储芯片和数字音频芯片，反面设有振荡器和滤波电路，所述的存储芯片竖立设置，数字音频芯片横放设置，所述的存储芯片靠近数字音频芯片管脚端放置，2520晶振设置于存储芯片单板背面，接口焊盘设置于音频芯片管脚下方，所述的微型超薄板制板加工时采用拼板结构，拼板之间设有桥连邮票孔，拼板上设有若干定位孔。

所述的微型超薄板制板加工时拼板上设有mark点(电路板设计中PCB应用于自动贴片机上的位置识别点)，拼板板框部分覆铜，所述的微型超薄板表面沉金，并采用无防焊罩设计工艺和树脂塞孔工艺，保证微型元器件贴片精度和平整度。

所述的数字音频芯片采用晶圆级芯片WLCSP(晶圆片级芯片规模封装)封装，所述的存储芯片采用DFN封装(即DFN/QFN封装，是一种最新的的电子封装工艺.ON Semiconductor公司的各种元器件都采用了先进的双边或方形扁平无铅封装，DFN/QFN平台是最新的表面贴装封装技术，印刷电路板(PCB)的安装垫、阻焊层和模版样式设计以及组装过程，都需要遵循相应的原则。DFN/QFN封装概述DFN/QFN平台具有多功能性，可以让一个或多个半导体器件在无铅封装内连接)，所述的贴片电阻及小参数电容采用0201封装，数字电源滤波电容为0403封装10UF贴片电容，所述的振荡器为2520封装1V振荡器，所述的导线采用超细的0.05毫米7股柔性彩色漆包线。

本发明还包括一种微型数字可编程音频处理芯片模组的走线方法，其特征在于结合主芯片管脚分部特点，把走线分成数字区域、模拟区域、输入区域、输出区域和振荡时钟区域，各区域分块走线，控制串扰；同时对数字电源地、模拟电源地、输出模拟地、电池电源地和射频地进行分块走线，并单点汇接于电池电源地；对电池电源，泵压电源，数字电源，音频输出电源进行就近滤波；音频输出线进行并行等长走线，保证抗扰；无用模拟输入口选择接地，减少输入干扰；时钟线短并远离模拟线，用数字地包裹，保证时钟可靠稳定；存储芯片SPI通讯线短，并远离模拟输入线；音频芯片编程加载I2C线(两线式串行总线)短，靠近输出焊盘口就近出线；数字区空余位置进行数字铺地，增加抗扰；模拟区空余位置进行模拟铺地，保护输入。

本发明芯片模组：体积小，性能强，功耗低，可编程，高保真。可以用于制作助听器，音乐耳机，口吃矫正仪，微型监听器，消噪头盔，心率计，脉搏分析仪，超大触摸屏等多种音频相关设备。

产品性能特点：体积小：模块大小2mm*3.6mm*6.3mm，相当于一颗稻粒大小，却有强大的高保真音频处理功能。性能高：本产品核心芯片为130纳米工艺制造，4路16位输入AD，24位双核DSP，110DB动态输入范围，88DB输出动态范围，功耗低：标准工作电压1.25V，静态工作电流0.8mA。典型工作电流2～3mA。可编程：可以对滤波特性，频谱特性，放大倍率等参数进行编程，从而提供定制化产品服务。高保真：16位AD，8K频宽，24位信号通道，加速引擎的设计为便携设备高保真提供支撑。

其创新点在于：

1、方案经济：从ASIC芯片设计切换到芯片模组设计，实现同样的使用功能，方法更经济。相对于原数百万元的设计及掩膜费用和2年以上稳定期，模组方案只要一半以下的直接投入和开发周期，同时有ASIC设计没有的灵活性和低风险。

2、超微组合：精选了最小的晶圆级芯片尺寸WLCSP封装高端可编程音频芯片和DFN封装存储芯片，其他配件器件对应各需参数也是目前封装最小的设计能力。

3、布局精巧：存储芯片靠近数字管脚端放置，对模拟输入端干扰小，距离远，能充分保证音频质量不受干扰。存储竖立，音频横放的方案，实现总体长宽最短，最窄。2520晶振放置于存储芯片单板背面，在缩小整体面积的同时保证布局布线的便利。接口焊盘布局于音频芯片管脚下方，大都对应管脚功能就近输出，确保干扰最小，同时便于走线。

4、单板布线严格约束。

5、功耗精细控制：使用时长由原来无电源控制的平均工作30小时正常使用时间延长到了80小时。

[附图说明]

图1是本发明的放大器模块A面示意图；

图2是本发明的放大器模块B面示意图；

图3是典型的音频放大接线图；

图4是本发明数字芯片软件流程示意图；

图5是本发明助听器管理软件流程示意图；

图中：1.存储芯片  2.数字音频芯片  3.震荡器件  4.I2C接口  5.预留I/O口  6.预留I/O口  7.滤波器件  8.音量调节口  9.MIC输入口  10.电池电源接口  11.音频输出接口  12.泵压器件。

[具体实施方式]

结合附图对本发明做进一步说明，这种装置的制造技术对本专业的人来说是非常清楚的。

方案：

首先，考虑产品小而强的需求，精选对应各需参数是目前封装最小的设计能力的配件器件。

另外，除了空间上得缩小，在功耗上也要进行精细控制：

a.在不明显降低音频质量的前提下，尽量降低模组工作频率，选取小于20M的振荡器；

b.根据不同的应用场景，选配不同的振荡频率，听音乐可以通过软件选配20M频率，语音识别可以选用10M频率，心率计数则可选5M左右频率；

c.对某时刻不参与实际工作的器件实行休眠控制，如不读取存储器期间使存储器不工作，可大大减小系统功耗，其他器件同样；

d.通过软件时序的适当控制，对器件分时上电，错开峰值冲击。

e.在无需处理音频或语音时，针对不同种类产品通过不同检测门限和方法，使芯片可以立刻切换到极低功耗的深度休眠模式，功耗可以降到正常工作的百分之几。大大降低待机功耗，延长电池使用寿命。

于是，选择以下硬件和软件：

A、硬件：特制微型超薄板：3.6*6.3*0.5mm；便携音频芯片：WLCSP封装，2.68*3.63mm；微型存储芯片：DFN封装，2*3mm；定制微型超低压振荡器：2520封装，2.5*2mm；超微阻容：0201封装，0.5*0.25mm；泵压电路：100PF泵压电容结合主芯片实现2倍泵压；微型电池接口：1.25V～1.5V电池接口；微型麦克接口：3线MIC；微型受话器接口：差分D类受话器；音量调整接口：接微型电位器；模式切换接口：软件模式切换选择；无线识别接口：电话模式识别；微型加载编程接口：I2C程序加载；滤波电路：数字，模拟电源滤波；可选IO：2路备用I/O口；配套专用导线：7芯漆包，0.05mm*7。

B、对软件进行选择：模块运行软件(MCU软件1)；模块配置接口软件(MCU软件2)；模块音频处理功能(MCU软件3)；配套配置界面软件(管理软件1)；配套管理用户软件(管理软件2)。其中MCU软件(即数字芯片软件)的流程图如附图4所示，模块上电启动后先进行内外参数配置，包括I/O，音量，滤波器等，然后开放中断，进入主循环。

不同的产品管理软件的流程图是不同的，以助听器为例，管理软件的流程图如附图5所示，管理软件获取客户信息，然后根据相应产品算法获得配置数据，加载到放大器模块后即实现产品的个性化定制，类似方法可以实现多种产品的调校。

选择好软件和硬件后进行单板设计：a.拼板设计，拼接10*10＝100PCS；b.板间做桥连邮票孔，便于贴片加工后拆解；c.拼板上加定位孔；d.板上加MARK点，便于贴片时精确定位；e.拼板考虑贴片加工时的单板强度，如板框部分保留覆铜以加强单板强度；f.单板表面沉金，防氧化，提高可焊性；g.树脂塞孔工艺使用，保证过孔不得高于BGA焊盘，过孔焊盘和BGA焊盘重叠部分不能有阻焊，保证BGA焊盘可焊接，其余部分阻焊；h.阻焊设计，BGA焊盘不能有阻焊，尤其过孔重叠部分，NSMD工艺要求，阻焊层的开度应大于金属焊点。i.精细图符辅助贴片定位，走线重叠处可有残段，PCB冗余线辅助定位。j.减少单板层数，通过单板走线布局优化并适当牺牲面积控制，实现2层单板的走线。

然后，根据音频芯片的管脚分布特点，存储芯片靠近数字管脚端放置，对模拟输入端干扰小，距离远，能充分保证音频质量不受干扰。存储竖立，音频横放实现总体长宽最短，最窄。考虑音频芯片BGA管脚密集，存储芯片DFN封装管脚稀少，2520晶振放置于存储芯片单板背面，在缩小整体面积的同时保证布局布线的便利。若放于正面芯片模组面积太大，背面若放于音频芯片下方则必然导致BGA走线受阻和接口焊盘无法布局。接口焊盘布局于音频芯片管脚下方，大都对应管脚功能就近输出，确保干扰最小，同时便于走线。如附图3所示。

最后，对多种走线进行约束：a.结合主芯片管脚分部特点，把走线分成了数字区域，模拟区域，输入区域，输出区域，振荡时钟区域；各区域分块走线，控制串扰。b.同时对数字电源地，模拟电源地，输出模拟地，电池电源地，射频地进行分块走线，并单点汇接于电池电源地。c.对电池电源，泵压电源，数字电源，音频输出电源进行就近滤波；d.音频输出线进行并行等长走线，保证抗扰，提高音质；e.无用模拟输入口可以选择接地，减少输入干扰；f.时钟线短并远离模拟线，用数字地包裹，以保证时钟可靠稳定；g.存储芯片SPI通讯线短，并远离模拟输入线；h.音频芯片编程加载I2C线短，靠近输出焊盘口就近出线；i.数字区空余位置进行数字铺地，增加抗扰；j.模拟区空余位置进行模拟铺地，保护输入。

根据以上步骤得到的微型数字可编程音频处理芯片模组，其放大器模块的结构示意图如图1、图2所示，正面为存储器EEROM和数字处理芯片，反面为振荡器和滤波电路，整个模块高度紧凑，全部器件采用了当今最前沿技术，封装最小，性能极强，再通过精心的布局组合，使得总模块体积小巧，可在多种便携产品中使用；其典型的音频放大接线图如附图3所示，可以作为CIC，ITC，ITE或耳背式助听器使用，有双麦克风，有音量调节，有聆听状态识别，可自动切换到电话模式，接D类差动受话器，可根据型号佩A675，A13，A312，A10等锌空电池，另有外接加载口，可以根据客户听力图加载对应频响曲线并进行参数微调。如做成盒式助听器或口吃矫正仪也可配7#普通电池。

经过试验得出，采用上述方法可以使CIC原型机的A13锌空电池使用时长由原来无电源控制的平均工作30小时正常使用时间延长到了80小时。

Claims (4)

1.一种微型数字可编程音频处理芯片模组，包括微型超薄板、数字音频芯片，存储芯片，振荡器，微型阻容，电池，导线，其特征在于所述的微型超薄板正面设有存储芯片和数字音频芯片，反面设有振荡器和滤波电路，所述的存储芯片竖立设置，数字音频芯片横放设置，所述的存储芯片靠近数字音频芯片管脚端放置，2520晶振设置于存储芯片单板背面，接口焊盘设置于音频芯片管脚下方，所述的微型超薄板制板加工时采用拼板结构，拼板之间设有桥连邮票孔，拼板上设有若干定位孔。

2.如权利要求1所述的一种微型数字可编程音频处理芯片模组，其特征在于所述的微型超薄板制板加工时拼板上设有mark点，拼板板框部分覆铜，所述的微型超薄板表面沉金，并采用无防焊罩设计工艺和树脂塞孔工艺。

3.如权利要求1所述的一种微型数字可编程音频处理芯片模组，其特征在于所述的数字音频芯片采用晶圆级芯片WLCSP封装，所述的存储芯片采用DFN封装，所述的贴片电阻及小参数电容采用0201封装，数字电源滤波电容为0403封装10UF贴片电容，所述的振荡器为2520封装1V振荡器，所述的导线采用超细的0.05毫米7股柔性彩色漆包线。

4.一种微型数字可编程音频处理芯片模组的走线方法，其特征在于结合主芯片管脚分部特点，把走线分成数字区域、模拟区域、输入区域、输出区域和振荡时钟区域，各区域分块走线，控制串扰；同时对数字电源地、模拟电源地、输出模拟地、电池电源地和射频地进行分块走线，并单点汇接于电池电源地；对电池电源，泵压电源，数字电源，音频输出电源进行就近滤波；音频输出线进行并行等长走线，保证抗扰；无用模拟输入口选择接地，减少输入干扰；时钟线短并远离模拟线，用数字地包裹，保证时钟可靠稳定；存储芯片SPI通讯线短，并远离模拟输入线；音频芯片编程加载I2C线短，靠近输出焊盘口就近出线；数字区空余位置进行数字铺地，增加抗扰；模拟区空余位置进行模拟铺地，保护输入。

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