藍牙耳機市場在過去五年中發展非常迅速，總出貨量從2003年的700萬個上升到2005年的6,000多萬個。2006年供應量還將繼續增加。再加上行動手機的不斷普及，藍牙技術正成為全球都接受的一種通訊方式。藍牙技術的先進性、性能、電池消耗、近距離通訊以及立法方面的變化使藍牙市場取得了巨大的成功。然而，耳機電路板設計人員為了取得設計成功正面臨著各方面的挑戰。

 

由于這個不斷發展的市場上競爭日益激烈，盡量縮短新產品上市時間已成為藍牙耳機電路板設計人員面臨的主要壓力之一。藍牙耳機的發展提高了消費者對它的期望值，電路板設計人員需要實現DSP、回波抵銷、噪音抑制、晶片上電池充電電路和交換式電源供應器(SMPS)等功能以滿足不斷提升的用戶需求。另外，電路板設計人員仍需選擇合適的藍牙晶片、藍牙堆迭、耳機規格軟件(headset profile software)、軟硬件開發套件、參考設計、互通作業性測試和最終的藍牙認證組織測試。這一過程非常漫長，往往使電路板設計人員很少有時間甚至沒時間考慮差異化問題。為了取悅更多的用戶，通常需要加強實用性、易用性和美觀性方面的設計，因此電路板設計人員發現想盡快和低成本的滿足這些附加要求將是一個艱巨的挑戰。

 

在典型的單聲道耳機設計中，有許多晶片上功能可以用來減少材料清單(BOM)以及設計尺寸和重量。電路板設計人員希望在元件內部放置更多模組，但這將導致在單一封裝中整合多個硅晶片，從而增加成本。最實用的解決方案是在單一元件中整合射頻、記憶體、界面、微控制器、電池充電電路、時脈發生器、DAC和SMPS，減少相關的ROM大小。需要的外部元件僅是平衡-不平衡變壓器(balun)、濾波器、揚聲器、話筒、電池、按鈕和LED。

 

盡可能采用小型無鉛封裝以滿足全球RoHS標淮，并方便生產加工，因而保持成本的低廉。影響耳機整體尺寸的主要因素是電池，專為耳機設計的鋰離子電池體積約為5mm × 12mm × 45mm，比標淮的8mm × 8mm元件封裝要大得多。

 

圖1：通用耳機參考設計功能結構圖。

 

藍牙較低層硬件和韌體通常是由藍牙規格預先定義，市場上耳機間的主要區別是耳機應用程式碼的靈活性及其互通作業性測試的等級和廣泛性。像電池充電電路和SMPS等一些元件級性能是專門為耳機設計，不過大部份耳機特有的性能是由軟件定義的。市場上主要有兩種耳機：一種是基于快閃記憶體的耳機，其藍牙軟件就儲存在快閃記憶體中；另一種是基于ROM的耳機，其耳機軟件儲存在晶片上的ROM中，用戶可配置的一些功能則儲存在外部EEPROM中。這些功能可以透過編程來滿足實際的耳機人機界面(HMI)要求。

 

雖然采用快閃記憶體的耳機可提供軟件升級，因而連接新話機，但廣泛的互通作業性測試顯示，基于ROM的耳機產量將會更多，而生產成本也會更低。

 

設計流程

 

1. 硬件開發

設計藍牙單聲道耳機的第一步是印刷電路板(PCB)和藍牙IC的硬件開發。參考板設計是設計過程的最重要部份，因為它定義了推薦的PCB布局，指明了元件和分離元件放置的位置以及如何實現低成本的印刷電路板天線。元件的布局和位置是設計過程中特別重要的部份，因為它們會影響射頻性能。將已經通過所有藍牙認證測試的硬件參考設計作為設計起點可以有效減輕布局設計負擔，參考設計對確定電路板元件之間的干擾和元件上的電磁干擾(EMI)也具有重要的指導意義。

 

通常，電路板設計人員最初會使用專門為耳機應用設計硬件開發套件，套件中包括經過全面測試的功能參考設計。圖1是常見的耳機參考設計。該參考設計圍繞著特定的藍牙IC而建構，電路板設計人員必須評估該設計是否適合實際的耳機應用要求。通常電路板設計人員會進行測試，觀察執行應用層程式碼的標淮晶片是否滿足要求的HMI規格。這些要求可以囊括LED作業和數量、多少按鈕以及按鈕的意義、上電和斷電次數、振鈴音和LED顏色等。開發板應該有大量可配置參數，因而讓電路板設計人員確定設計是否滿足要求。電路板設計人員也能在一些特定條件下測量功耗，如HFP1.5(免提規格)加上EDR(增強數據速率藍牙)，以及具有不同封裝類型的eSCO。

 

采用來自CSR公司的BlueVOX方案，電路板設計人員可以有兩種參考設計選擇，一種是采用鋰電池的設計，一種是采用原型電池(primary cell，AAA)的設計。這兩種設計都以BlueCore4-Headset ROM為基礎，它具有晶片上開關模式穩壓器和音訊編解碼器，并經過全面的測試。藍牙單晶片提供經全面認證的藍牙系統v2.0和帶6Mb內部ROM的EDR，并透過CSR的Headset v4應用軟件進行預載入。該應用軟件內含耳機和免提規格、HMI配置與應用策略。兩個參考設計都符合藍牙規格，并全部使用經互通作業測試過的元件。

 

使用某些行動電話并對耳機有特殊作業要求的電路板設計人員可能希望做一些具體的互通作業性測試，以確保標淮晶片能滿足要求。另外，如果電路板設計人員希望改變天線類型，或改變參考設計布局，則建議重做測試。

 

圖2：耳機軟件架構(ROM+外部EEPROM)。

 

2. 軟件開發

一旦設立好硬件參考設計，電路板設計人員必須評估整合在ROM中的標淮軟件解決方案是否合適。如前所述，藍牙軟件遵從一定的藍牙標淮，因此對大多數藍牙元件來說是非常相似的。電路板設計人員可透過修改BlueVOX軟件開發套件(SDK)來定制元件，實現一些專有的特性，例如可能需要特殊程式碼支援和硬件界面的特殊開關類型。不過，電路板設計人員可使用經過全面測試的標淮軟件來減少相當多的開發時間。

 

電路板設計人員必須確定其它一些規格，如用于EDR和eSCO的免提規格(HFP)v1.5、耳機規格(HSP) v1.1、免提規格(HFP)v1.0以及人機界面(HMI)配置和應用策略。Headset v4軟件向電路板設計人員提供了完整的藍牙軟件解決方案，實際使用時只需做少量修改。Headset v4還具有帶高音(treble)增強的風噪消減濾波器，可用來改善聲音品質，并透過BlueVOX配置器實現完全可配置的HMI。將參考設計透過提供的SPI/UART電纜連接到執行Windows的PC上后，電路板設計人員就可以全面評估藍牙應用程式碼，透過適當修改使之適合附加的硬件規格和HMI配置。

 

電路板設計人員利用標淮的Headset v4軟件可以直接進行HMI的配置。在基于ROM的耳機中，電路板上靠近藍牙IC的地方需配置一個外部I2C串列EEPROM，用于存放配置HMI的永久儲存值(PS鍵)。對大多數應用來說，采用TSSOP或MLP封裝的32Kb EEPROM就足夠了。耳機軟件架構(ROM加上外部EEPROM)如圖2所示。

 

EEPROM的功能是存放兩套永久儲存鍵，第一套是非標淮值，第二套用于特殊應用規格。如果使用CSR標淮耳機軟件Headset v4，那么就可以使用一款名為‘Configurator’的工具方便快速地配置用于定義HMI設置的PS鍵。這種方法非常靈活，在多數情況下均能滿足大部份要求。

 

電路板設計人員利用BlueVOX配置器對HMI進行配置后，可以使最終產品與市場上其他產品產生顯著區別。電路板設計人員可定義PIO功能使之適合其硬件設計以及采用不同按鈕配置的相關元件控制，還能定制LED模式和音調以指示用戶動作、系統狀態和系統事件，也可以透過修改特定模組鍵設置唯一的藍牙地址、電池閘限電壓、斷電設置和配對資訊等內容。Headset v4已經通過CSR公司的全面測試和驗證，如果所提供的標淮Headset v4軟件和參考設計合適的話，電路板設計人員就可以直接進行應用測試和藍牙認證。

 

3. 應用測試和藍牙認證

在軟件和硬件開發完成后就進入對包括即將用于大量產的軟件和硬件在內的整個參考設計最終測試和認證階段。電路板設計人員必須執行大量測試，包括訊號輸出、相對于接收到的訊號強度指示器(RSSI)的誤碼率(BER)性能和訊息通道干擾。

 

對使用藍牙無線技術的所有產品來說，藍牙認證要求符合一定的測試標淮。要求使用藍牙標志的藍牙元件需要經過藍牙認證才能賦予產品擁有藍牙無線性能的標志。另外，認證也能確保電路板設計人員設計元件符合標淮藍牙規格，并達到一定的互通作業性等級。藍牙認證要求在無線鏈路、協議、架構和資訊要求方面達到標淮要求，電路板設計人員也被要求提交一致性聲明，并取得FCC和CE等組織的認可。

 

測試和認證過程可能要花幾個星期的時間，特別是在做過修改和使用了許多第三方元件的情況下時間會很長。不過，即將由藍牙SIG定稿的最新已認證產品列表(QPL)方案可以讓電路板設計人員透過參考藍牙最終產品列表(EPL)中的QPL數字而節省大量時間和成本。使用BlueVOX等解決方案的電路板設計人員可以從通過全面藍牙認證過程(包括應用軟件、韌體和元件級測試)的參考設計中受益。如果最終設計基于的參考設計來自上述新方案生效后的開發套件，那么電路板設計人員就無需申請認證了。最終設計提交時需附帶CSR QPL標志，如果要求獲得全球認證，還需要得到FCC和CE認可。

 

本文結論

設計藍牙耳機的電路板設計人員正面臨越來越艱巨的挑戰，他們必須在最短時間內滿足功能、成本和技術方面的要求。藍牙SIG和無線連接領域中的廠商已經廣泛意識到電路板設計人員在一個成熟市場中所面臨的挑戰，各公司開始整合所有必要的硬件、軟件、設計說明以及對先進藍牙耳機設計各種支援，而讓電路板設計人員專心進行新產品定制，并以最快的速度上市。

 

對所有藍牙耳機電路板設計人員來說關鍵是減少軟硬件設計復雜性，這可透過采用外部元件很少的完整單聲道耳機解決方案并根據要求加以定制化實現，這樣做可以同時減少開發和制造方面的時間和成本。