CN219758816U - 一种usb声卡低功耗电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种USB声卡低功耗电路，包括XMOS主控芯片模块、USB接口电源模块、数模/模数转换模块、2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块、LED电平与按键读取模块。本实用新型的电路能克服背景中提到的功耗高的问题，具有功耗低、效率高的特点。
Description
技术领域
本专利申请属于低功耗电路技术领域，更具体地说，是涉及一种USB声卡低功耗电路。
背景技术
目前市面上的声卡在连接电脑播放歌曲时，耳机处于带载时，具有极高的功耗，这是不可容忍的。市面上大部分的高性能声卡都要增加外置适配器，降低功耗后不使用适配器只需USB口供电使声卡更加便利和降低成本。一些没有优化功耗的声卡需要也能单独使用USB供电，但单独使用USB供电时音频指标会变差。另外用户进行户外使用时，如果声卡需要适配器加市电供电才能使用，便利性大打折扣，因此需要一种USB声卡低功耗电路以应对上述问题。
实用新型内容
本实用新型需要解决的技术问题是提供一种USB声卡低功耗电路，能克服背景中提到的功耗高的问题，具有低功耗的特点。
为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案是：
一种USB声卡低功耗电路，包括XMOS主控芯片模块、USB接口电源模块、数模/模数转换模块、2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块、LED电平与按键读取模块，XMOS主控芯片模块与USB接口电源模块、数模/模数转换模块、LED电平与按键读取模块均电性连接，数模/模数转换模块与2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块均电性连接；
USB接口电源模块包括降压3.3V电源模块、降压-5.5V电源模块、升压+5.5V电源模块、降压1V电源模块、LDO 5V模块、+48V电源模块，降压3.3V电源模块、降压-5.5V电源模块、升压+5.5V电源模块、+48V电源模块之间并联，降压3.3V电源模块另一端电性连接降压1V电源模块，降压3.3V电源模块、降压1V电源模块的其中一端均电性连接XMOS主控芯片模块，升压+5.5V电源模块另一端电性连接LDO 5V模块，LDO 5V模块、+48V电源模块、升压+5.5V电源模块、降压-5.5V电源模块均连接2通道输入模拟电路模块及2通道输出模拟电路模块，2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块均作为输入输出电路，或者也叫模拟电路模块或模拟部分电路。
进一步，数模/模数转换模块为声音频解码器，声音频解码器的型号为CS4272；XMOS主控芯片模块选用XCORE200系列、其运算能力为100MIPS。
进一步，降压3.3V电源模块采用转换芯片TMI3281，其为XMOS主控芯片模块、LED电平与按键读取模块均供电。
进一步，降压1V电源模块采用DCDC转换芯片RY3420、其为XMOS主控芯片模块供电。
进一步，升压+5.5V电源模块采用DCDC转换芯片AH6910B，DCDC转换芯片AH6910B的FB脚与输出之间设有RC缓升电路、其为模拟部分电路进行供电，这里的模拟部分电路指的是输入输出电路，也就是2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块。
进一步，LDO 5V模块由+5.5V电源供电、其采用LDO芯片RS3007-5.0AYF3、其为数模/模数转换模块供电。
进一步，降压-5.5V电源模块采用DCDC转换芯片TMI3281，DCDC转换芯片TMI3281的宽电压输入为3.5V-18V、电流输出为2A、频率为1Mhz，DCDC转换芯片TMI3281的FB脚与GND之间加有RC缓升电路。
进一步，+48V电源模块采用VP3481 DCDC芯片升压输出48V、其负责为幻象电源供电；
VP3481 DCDC芯片的反馈脚FB与输出之间设有RC电路，VP3481 DCDC芯片的VIN脚连接MOS管Q1，MOS管Q1的G脚与S脚之间并联有电阻R17和电容C250；
电容C250的规格为10uF。
进一步，还包括时钟模块、储存器模块，时钟模块、储存器模块均与XMOS主控芯片模块电性连接。
由于采用了上述技术方案，本实用新型取得的有益效果是：
本电路为2通道输入2通道输出声卡，方案通过采用高效率、低功耗DCDC设计电源，实现在连接电脑播放歌曲时耳机带载32Ohm输出80mW，48V麦克风带载10mA，实测USB的5V电源总电流仅为376mA，输入输出空载时只有230mA，功耗极低，满足背景中的要求。
使用本实用新型的此低功耗声卡在音频指标不变的情况下，可直接由笔记本的USB口进行供电，直接使用，更加的方便。
附图说明
图1为本实用新型的原理框架图。
图2为本实用新型的USB接口电源模块原理框架图。
图3为本实用新型的USB接口电源模块中降压3.3V电源模块的硬件电路图。
图4为本实用新型的USB接口电源模块中降压1V电源模块的硬件电路图。
图5为本实用新型的USB接口电源模块中升压+5.5V电源模块的硬件电路图。
图6为本实用新型的USB接口电源模块中升压+5.5V电源模块的硬件电路图。
图7为本实用新型的USB接口电源模块中降压-5.5V电源模块的硬件电路图。
图8为本实用新型的USB接口电源模块中+48V电源模块的硬件电路图一。
图9为本实用新型的USB接口电源模块中+48V电源模块的硬件电路图二。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步详细说明。
一种USB声卡低功耗电路，如图1，包括XMOS主控芯片模块、USB接口电源模块、数模/模数转换模块、2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块、LED电平与按键读取模块，XMOS主控芯片模块与USB接口电源模块、数模/模数转换模块、LED电平与按键读取模块均电性连接，数模/模数转换模块与2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块均电性连接；
如图2，USB接口电源模块包括降压3.3V电源模块、降压-5.5V电源模块、升压+5.5V电源模块、降压1V电源模块、LDO 5V模块、+48V电源模块，降压3.3V电源模块、降压-5.5V电源模块、升压+5.5V电源模块、+48V电源模块之间并联，降压3.3V电源模块另一端电性连接降压1V电源模块，降压3.3V电源模块、降压1V电源模块的其中一端均电性连接XMOS主控芯片模块，升压+5.5V电源模块另一端电性连接LDO 5V模块，LDO 5V模块、+48V电源模块、升压+5.5V电源模块、降压-5.5V电源模块均连接2通道输入模拟电路模块及2通道输出模拟电路模块，2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块作为输入输出电路，输入输出电路也可以叫模拟电路模块或模拟部分电路。
作为优选，数模/模数转换模块为声音频解码器，声音频解码器的型号为CS4272；XMOS主控芯片模块选用XCORE200系列、其运算能力为100MIPS。
如图3，降压3.3V电源模块采用转换芯片TMI3281，其为XMOS主控芯片模块、LED电平与按键读取模块均供电。
降压3.3V电源模块：由USB 5V电源供电，采用宽电压输入3.5V-18V，最大输出2A，频率高达1Mhz的DCDC转换芯片TMI3281同步降压输出3.3V，为XMOS主控芯片、LED电平与按键读取模块进行供电。实际应用中转换效率高达93％。
如图4，降压1V电源模块采用DCDC转换芯片RY3420、其为XMOS主控芯片模块供电。
该降压1V电源模块由3.3V电源供电，采用电压输入2.5V-5.5V，最大电流输出2A，频率高达1.2Mhz的DCDC转换芯片RY3420同步降压输出1V，为XMOS主控芯片进行供电。实际应用中转换效率高达85％。
如图5，升压+5.5V电源模块采用DCDC转换芯片AH6910B，DCDC转换芯片AH6910B的FB脚与输出之间设有RC缓升电路、其为模拟部分电路进行供电，也就是同时给输入输出模块供电。
该升压+5.5V电源模块由USB 5V电源供电，采用宽电压输入2V-24V，最大电流输出1A，频率高达1.2Mhz的DCDC转换芯片AH6910B升压输出5.5V，为2通道输入模拟电路模块和2通道输出模拟电路模块的模拟部分电路进行供电。实际应用中转换效率高达89％。
由于负责模拟电路供电的+5.5V的负载较重，为了降低升压+5.5V电源模块对USB电源的瞬间冲击，在AH6910B的FB脚与输出之间加了RC缓升电路，使FB的电压从0V缓慢升到0.6V，输出也从0V到+5.5V同步缓慢上升，总时长大概在2S，从而使USB电源不会受到瞬间冲击而出现电压下降等不稳定的现象，并且上电时音频输出的“PO声”问题得到很大的改善。
结合图6，LDO 5V模块由+5.5V电源供电、其采用LDO芯片RS3007-5.0AYF3、其为数模/模数转换模块供电。
LDO 5V模块：由+5.5V电源供电，采用一款PSRR在f＝1KHz时最高可达到77dB，同时最大提供大电流300mA输出的超低LDO芯片RS3007-5.0AYF3单独为Codec CS4272的模拟部分供电。实际应用中转换效率高达84％。
如图7，降压-5.5V电源模块采用DCDC转换芯片TMI3281，DCDC转换芯片TMI3281的宽电压输入为3.5V-18V、电流输出为2A、频率为1Mhz，DCDC转换芯片TMI3281的FB脚与GND之间加有RC缓升电路。
降压-5.5V电源模块:由USB 5V电源供电，采用宽电压输入3.5V-18V，电大输出2A，频率高达1Mhz的DCDC转换芯片TMI3281同步降压输出负5.5V。
由于负责模拟电路供电的-5.5V的负载较重，为了降低-5.5V电源对USB电源的瞬间冲击，在TMI3281的FB脚与GND之间加了RC缓升电路，使FB的电压从0V缓慢下降到-4.9V，输出也从0V到-5.5V同步缓慢下降，总时长大概在2S，从而使USB电源不会受到瞬间冲击而出现电压下降等不稳定的现象，并且上电时音频输出的“PO声”问题得到很大的改善。同时也是为了跟正压5.5V的建立时间保持一致以减少不必要的输出“PO声”。实际应用中转换效率高达82％。
如图8和图9，+48V电源模块采用VP3481 DCDC芯片升压输出48V、其负责为幻象电源供电；
VP3481 DCDC芯片的反馈脚FB与输出之间设有RC电路，VP3481 DCDC芯片的VIN脚连接MOS管Q1，MOS管Q1的G脚与S脚之间并联有电阻R17和电容C250；
电容C250的规格为10uF。
+48V电源模块：采用VP3481 DCDC芯片升压输出48V负责幻象电源供电。若输入电路有连接电容麦克风时并开启48V会导致USB电源会瞬间电流较大有可能导致USB电源不稳定，所以此电路做了以下2点优化：
1)开启48V时，在VP3481反馈脚FB与输出之间增加RC电路让FB电压缓慢上升，输出由0V缓慢升到48V，总时长约为3S。在关闭48V时对2.2UF插件电容进行放电，由MCU控制IO的开关时序，当48V打开时，48_ON拉高，Power_48V_en保持拉低；48V关闭时，48_ON拉低，Power_48V_e拉高，1S后拉低BLEED放电。
2)同时，在MOS管Q1 NJ3401的GS之间，即R17并联一个10uF电容，使48_ON高电平时，Q1的G脚电压缓慢降低，使MOS管Q1的SD缓慢打开，减少对USB电源的冲击。没增加以上电路时，当开启48V瞬间，因为麦克风的耗电比较大USB口的5V供电会瞬间给拉低，可能会导致USB供电电压不足使USB断开连接重新启动。
增加上述电路后，在开启48V瞬间，USB 5V是完全不受48V开启影响，供电平滑，使声卡在普通笔记本供电下也能完美运行。
还可以继续看如图1，本电路还包括时钟模块、储存器模块，时钟模块、储存器模块均与XMOS主控芯片模块电性连接，具体电路不再赘述。
下面以实施例来说明：该声卡为2通道输入/2通道输出声卡。
可以得出，本方案主要耗电元件包含：CS4272高性能立体声音频解码器，负责数模、模数转换；32位高性能多核事件驱动处理器件，集MCU、FPGA和DSP特点于一身的主控XMOS USB Audio-XU208-128-QF48-C10进行设计，其运算能力最高可达100MIPS，主要负责音频数据的处理与MCU功能。另外还有运算放大器NJM3414，负责驱动耳机；运算放大器NJM4580，负责模拟音频型号的前级处理。本方案通过采用高效率低功耗DCDC设计电源，实现在连接电脑播放歌曲时耳机带载32Ohm输出80mW，48V麦克风带载10mA，实测USB的5V电源总电流仅为376mA，输入输出空载时只有230mA。
Claims (9)
1.一种USB声卡低功耗电路，其特征在于：包括XMOS主控芯片模块、USB接口电源模块、数模/模数转换模块、2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块、LED电平与按键读取模块，XMOS主控芯片模块与USB接口电源模块、数模/模数转换模块、LED电平与按键读取模块均电性连接，数模/模数转换模块与2通道输入模拟电路模块、2通道输出模拟电路模块均电性连接；
USB接口电源模块包括降压3.3V电源模块、降压-5.5V电源模块、升压+5.5V电源模块、降压1V电源模块、LDO 5V模块、+48V电源模块，降压3.3V电源模块、降压-5.5V电源模块、升压+5.5V电源模块、+48V电源模块之间并联，降压3.3V电源模块另一端电性连接降压1V电源模块，降压3.3V电源模块、降压1V电源模块的其中一端均电性连接XMOS主控芯片模块，升压+5.5V电源模块另一端电性连接LDO 5V模块，LDO 5V模块、+48V电源模块、升压+5.5V电源模块、降压-5.5V电源模块均连接2通道输入模拟电路模块及2通道输出模拟电路模块。
2.根据权利要求1所述的一种USB声卡低功耗电路，其特征在于：数模/模数转换模块为声音频解码器，声音频解码器的型号为CS4272；XMOS主控芯片模块选用XCORE200系列、其运算能力为100MIPS。
3.根据权利要求1所述的一种USB声卡低功耗电路，其特征在于：降压3.3V电源模块采用转换芯片TMI3281，其为XMOS主控芯片模块、LED电平与按键读取模块均供电。
4.根据权利要求1所述的一种USB声卡低功耗电路，其特征在于：降压1V电源模块采用DCDC转换芯片RY3420、其为XMOS主控芯片模块供电。
5.根据权利要求1所述的一种USB声卡低功耗电路，其特征在于：升压+5.5V电源模块采用DCDC转换芯片AH6910B，DCDC转换芯片AH6910B的FB脚与输出之间设有RC缓升电路。
6.根据权利要求1所述的一种USB声卡低功耗电路，其特征在于：LDO 5V模块由+5.5V电源供电、其采用LDO芯片RS3007-5.0AYF3、其为数模/模数转换模块供电。
7.根据权利要求3所述的一种USB声卡低功耗电路，其特征在于：降压-5.5V电源模块采用DCDC转换芯片TMI3281，DCDC转换芯片TMI3281的宽电压输入为3.5V-18V、电流输出为2A、频率为1Mhz，DCDC转换芯片TMI3281的FB脚与GND之间加有RC缓升电路。
8.根据权利要求3所述的一种USB声卡低功耗电路，其特征在于：+48V电源模块采用VP3481 DCDC芯片升压输出48V、其负责为幻象电源供电；
VP3481 DCDC芯片的反馈脚FB与输出之间设有RC电路，VP3481 DCDC芯片的VIN脚连接MOS管Q1，MOS管Q1的G脚与S脚之间并联有电阻R17和电容C250；电容C250的规格为10uF。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种USB声卡低功耗电路，其特征在于：还包括时钟模块、储存器模块，时钟模块、储存器模块均与XMOS主控芯片模块电性连接。
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