蓝牙耳机市场在过去五年中发展非常迅速，总出货量从2003年的700万个上升到2005年的6,000多万个。2006年供应量还将继续增加。再加上行动手机的不断普及，蓝牙技术正成为全球都接受的一种通讯方式。蓝牙技术的先进性、性能、电池消耗、近距离通讯以及立法方面的变化使蓝牙市场取得了巨大的成功。然而，耳机电路板设计人员为了取得设计成功正面临著各方面的挑战。

 

由于这个不断发展的市场上竞争日益激烈，尽量缩短新产品上市时间已成为蓝牙耳机电路板设计人员面临的主要压力之一。蓝牙耳机的发展提高了消费者对它的期望值，电路板设计人员需要实现DSP、回波抵销、噪音抑制、晶片上电池充电电路和交换式电源供应器(SMPS)等功能以满足不断提升的用户需求。另外，电路板设计人员仍需选择合适的蓝牙晶片、蓝牙堆迭、耳机规格软件(headset profile software)、软硬件开发套件、参考设计、互通作业性测试和最终的蓝牙认证组织测试。这一过程非常漫长，往往使电路板设计人员很少有时间甚至没时间考虑差异化问题。为了取悦更多的用户，通常需要加强实用性、易用性和美观性方面的设计，因此电路板设计人员发现想尽快和低成本的满足这些附加要求将是一个艰巨的挑战。

 

在典型的单声道耳机设计中，有许多晶片上功能可以用来减少材料清单(BOM)以及设计尺寸和重量。电路板设计人员希望在元件内部放置更多模组，但这将导致在单一封装中整合多个硅晶片，从而增加成本。最实用的解决方案是在单一元件中整合射频、记忆体、界面、微控制器、电池充电电路、时脉发生器、DAC和SMPS，减少相关的ROM大小。需要的外部元件仅是平衡-不平衡变压器(balun)、滤波器、扬声器、话筒、电池、按钮和LED。

 

尽可能采用小型无铅封装以满足全球RoHS标淮，并方便生产加工，因而保持成本的低廉。影响耳机整体尺寸的主要因素是电池，专为耳机设计的锂离子电池体积约为5mm × 12mm × 45mm，比标淮的8mm × 8mm元件封装要大得多。

 

图1：通用耳机参考设计功能结构图。

 

蓝牙较低层硬件和韧体通常是由蓝牙规格预先定义，市场上耳机间的主要区别是耳机应用程式码的灵活性及其互通作业性测试的等级和广泛性。像电池充电电路和SMPS等一些元件级性能是专门为耳机设计，不过大部份耳机特有的性能是由软件定义的。市场上主要有两种耳机：一种是基于快闪记忆体的耳机，其蓝牙软件就储存在快闪记忆体中；另一种是基于ROM的耳机，其耳机软件储存在晶片上的ROM中，用户可配置的一些功能则储存在外部EEPROM中。这些功能可以透过编程来满足实际的耳机人机界面(HMI)要求。

 

虽然采用快闪记忆体的耳机可提供软件升级，因而连接新话机，但广泛的互通作业性测试显示，基于ROM的耳机产量将会更多，而生产成本也会更低。

 

设计流程

 

1. 硬件开发

设计蓝牙单声道耳机的第一步是印刷电路板(PCB)和蓝牙IC的硬件开发。参考板设计是设计过程的最重要部份，因为它定义了推荐的PCB布局，指明了元件和分离元件放置的位置以及如何实现低成本的印刷电路板天线。元件的布局和位置是设计过程中特别重要的部份，因为它们会影响射频性能。将已经通过所有蓝牙认证测试的硬件参考设计作为设计起点可以有效减轻布局设计负担，参考设计对确定电路板元件之间的干扰和元件上的电磁干扰(EMI)也具有重要的指导意义。

 

通常，电路板设计人员最初会使用专门为耳机应用设计硬件开发套件，套件中包括经过全面测试的功能参考设计。图1是常见的耳机参考设计。该参考设计围绕著特定的蓝牙IC而建构，电路板设计人员必须评估该设计是否适合实际的耳机应用要求。通常电路板设计人员会进行测试，观察执行应用层程式码的标淮晶片是否满足要求的HMI规格。这些要求可以囊括LED作业和数量、多少按钮以及按钮的意义、上电和断电次数、振铃音和LED颜色等。开发板应该有大量可配置参数，因而让电路板设计人员确定设计是否满足要求。电路板设计人员也能在一些特定条件下测量功耗，如HFP1.5(免提规格)加上EDR(增强数据速率蓝牙)，以及具有不同封装类型的eSCO。

 

采用来自CSR公司的BlueVOX方案，电路板设计人员可以有两种参考设计选择，一种是采用锂电池的设计，一种是采用原型电池(primary cell，AAA)的设计。这两种设计都以BlueCore4-Headset ROM为基础，它具有晶片上开关模式稳压器和音讯编解码器，并经过全面的测试。蓝牙单晶片提供经全面认证的蓝牙系统v2.0和带6Mb内部ROM的EDR，并透过CSR的Headset v4应用软件进行预载入。该应用软件内含耳机和免提规格、HMI配置与应用策略。两个参考设计都符合蓝牙规格，并全部使用经互通作业测试过的元件。

 

使用某些行动电话并对耳机有特殊作业要求的电路板设计人员可能希望做一些具体的互通作业性测试，以确保标淮晶片能满足要求。另外，如果电路板设计人员希望改变天线类型，或改变参考设计布局，则建议重做测试。

 

图2：耳机软件架构(ROM+外部EEPROM)。

 

2. 软件开发

一旦设立好硬件参考设计，电路板设计人员必须评估整合在ROM中的标淮软件解决方案是否合适。如前所述，蓝牙软件遵从一定的蓝牙标淮，因此对大多数蓝牙元件来说是非常相似的。电路板设计人员可透过修改BlueVOX软件开发套件(SDK)来定制元件，实现一些专有的特性，例如可能需要特殊程式码支援和硬件界面的特殊开关类型。不过，电路板设计人员可使用经过全面测试的标淮软件来减少相当多的开发时间。

 

电路板设计人员必须确定其它一些规格，如用于EDR和eSCO的免提规格(HFP)v1.5、耳机规格(HSP) v1.1、免提规格(HFP)v1.0以及人机界面(HMI)配置和应用策略。Headset v4软件向电路板设计人员提供了完整的蓝牙软件解决方案，实际使用时只需做少量修改。Headset v4还具有带高音(treble)增强的风噪消减滤波器，可用来改善声音品质，并透过BlueVOX配置器实现完全可配置的HMI。将参考设计透过提供的SPI/UART电缆连接到执行Windows的PC上后，电路板设计人员就可以全面评估蓝牙应用程式码，透过适当修改使之适合附加的硬件规格和HMI配置。

 

电路板设计人员利用标淮的Headset v4软件可以直接进行HMI的配置。在基于ROM的耳机中，电路板上靠近蓝牙IC的地方需配置一个外部I2C串列EEPROM，用于存放配置HMI的永久储存值(PS键)。对大多数应用来说，采用TSSOP或MLP封装的32Kb EEPROM就足够了。耳机软件架构(ROM加上外部EEPROM)如图2所示。

 

EEPROM的功能是存放两套永久储存键，第一套是非标淮值，第二套用于特殊应用规格。如果使用CSR标淮耳机软件Headset v4，那么就可以使用一款名为‘Configurator’的工具方便快速地配置用于定义HMI设置的PS键。这种方法非常灵活，在多数情况下均能满足大部份要求。

 

电路板设计人员利用BlueVOX配置器对HMI进行配置后，可以使最终产品与市场上其他产品产生显著区别。电路板设计人员可定义PIO功能使之适合其硬件设计以及采用不同按钮配置的相关元件控制，还能定制LED模式和音调以指示用户动作、系统状态和系统事件，也可以透过修改特定模组键设置唯一的蓝牙地址、电池闸限电压、断电设置和配对资讯等内容。Headset v4已经通过CSR公司的全面测试和验证，如果所提供的标淮Headset v4软件和参考设计合适的话，电路板设计人员就可以直接进行应用测试和蓝牙认证。

 

3. 应用测试和蓝牙认证

在软件和硬件开发完成后就进入对包括即将用于大量产的软件和硬件在内的整个参考设计最终测试和认证阶段。电路板设计人员必须执行大量测试，包括讯号输出、相对于接收到的讯号强度指示器(RSSI)的误码率(BER)性能和讯息通道干扰。

 

对使用蓝牙无线技术的所有产品来说，蓝牙认证要求符合一定的测试标淮。要求使用蓝牙标志的蓝牙元件需要经过蓝牙认证才能赋予产品拥有蓝牙无线性能的标志。另外，认证也能确保电路板设计人员设计元件符合标淮蓝牙规格，并达到一定的互通作业性等级。蓝牙认证要求在无线链路、协议、架构和资讯要求方面达到标淮要求，电路板设计人员也被要求提交一致性声明，并取得FCC和CE等组织的认可。

 

测试和认证过程可能要花几个星期的时间，特别是在做过修改和使用了许多第三方元件的情况下时间会很长。不过，即将由蓝牙SIG定稿的最新已认证产品列表(QPL)方案可以让电路板设计人员透过参考蓝牙最终产品列表(EPL)中的QPL数字而节省大量时间和成本。使用BlueVOX等解决方案的电路板设计人员可以从通过全面蓝牙认证过程(包括应用软件、韧体和元件级测试)的参考设计中受益。如果最终设计基于的参考设计来自上述新方案生效后的开发套件，那么电路板设计人员就无需申请认证了。最终设计提交时需附带CSR QPL标志，如果要求获得全球认证，还需要得到FCC和CE认可。

 

本文结论

设计蓝牙耳机的电路板设计人员正面临越来越艰巨的挑战，他们必须在最短时间内满足功能、成本和技术方面的要求。蓝牙SIG和无线连接领域中的厂商已经广泛意识到电路板设计人员在一个成熟市场中所面临的挑战，各公司开始整合所有必要的硬件、软件、设计说明以及对先进蓝牙耳机设计各种支援，而让电路板设计人员专心进行新产品定制，并以最快的速度上市。

 

对所有蓝牙耳机电路板设计人员来说关键是减少软硬件设计复杂性，这可透过采用外部元件很少的完整单声道耳机解决方案并根据要求加以定制化实现，这样做可以同时减少开发和制造方面的时间和成本。