原创 芯知识｜语音芯片IC电流声问题解析与解决方案

语音芯片在播放音频时出现电流声是嵌入式音频系统开发中的常见问题，直接影响用户体验。唯创电子WT系列语音芯片在智能家居、工业控制等领域广泛应用，本文将从PWM直推输出与DAC+功放输出两类典型电路架构出发，系统化分析电流声成因并提供工程级解决方案。

一、PWM直推输出电路电流声诊断

1.1 现象特征

• 高频"滋滋"声（8kHz-20kHz）
• 声音随系统负载变化波动
• 静音状态下仍存在底噪

1.2 核心成因分析

(1) 电源干扰

• 开关电源纹波超标：实测案例显示，当12V转3.3V的DC-DC电源纹波＞80mVpp时，PWM载波被调制产生可闻噪声
• 地回路干扰：数字地与模拟地单点连接缺失，导致50Hz工频干扰

(2) 高频信号串扰

• 布线耦合：PWM信号线与MCU时钟线并行距离＞20mm时，耦合噪声增加15dB
• 无线模块干扰：WiFi/BLE射频信号通过电源网络注入，典型频段2.4GHz谐波干扰

(3) 音频源质量

• 8bit低采样率文件量化噪声
• 音频文件含有直流偏移（＞50mV）

1.3 工程解决方案

硬件优化

• 电源改造：增加π型滤波器（10μH+47μF+0.1μF）
• PCB设计：
  • PWM走线长度＜15mm
  • 模拟地区域铺铜加厚至2oz

软件优化

• 提升PWM载波频率至250kHz以上（超出人耳范围）
• 插入静音帧消除开关机爆音

二、DAC+功放输出电路电流声治理

2.1 故障特征

• 低频"嗡嗡"声（100Hz-1kHz）
• 噪声与音量大小无关
• 随供电电压降低而加剧

2.2 关键问题定位

(1) 电源纹波失控

• 线性稳压器(LDO)PSRR不足：测试数据显示，当LM1117在1kHz处PSRR仅60dB时，100mV纹波会导致DAC输出噪声增加12%
• 退耦电容失效：0805封装的10μF陶瓷电容在高温老化后容值衰减＞30%

(2) 地线设计缺陷

• 星型接地未实现，功放地线回流路径过长
• 数字噪声通过共用电源污染模拟电路

(3) 外部干扰

• 电机/PWM调光器通过电源线传导干扰
• 未屏蔽的音频线拾取空间电磁波

2.3 系统级优化方案

电源改造

• LDO选型：选用PSRR＞80dB@1kHz的型号（如TPS7A4700）
• 滤波电路：

  

• 纹波测量：示波器20MHz带宽限制下，峰峰值应＜10mV

电路设计规范

• 地线分割：使用0Ω电阻桥接数字地与模拟地
• 信号隔离：

  

三、典型案例分析

案例1：智能门锁语音模块电流声

• 现象：开关锁电机时产生"咔咔"干扰声
• 诊断：电机启停导致电源电压骤降2V
• 解决：
  1. 增加220μF储能电容
  2. 电机电源独立供电
  3. 语音模块供电增加TVS二极管

案例2：工业报警器高频噪声

• 现象：环境温度＞60℃时出现持续嘶嘶声
• 诊断：LDO热降额导致PSRR恶化
• 解决：
  1. 更换为汽车级LDO（LT1963AEQ）
  2. 增加散热铜箔（面积≥20×20mm）

四、进阶调试工具与方法

4.1 频谱分析法

使用手持式频谱仪（如N9342C）定位噪声频点：

• 50/100Hz：电源工频干扰
• 8-20kHz：开关电源噪声
• 随机宽带噪声：接地不良

4.2 热成像检测

FLIR E4红外热像仪可快速定位过热元件：

• LDO芯片温升＞40℃提示过载
• 滤波电容温度异常预示失效

4.3 信号注入法

通过函数发生器注入10mVpp正弦波，逐级测量电路节点信噪比，定位失真环节。

五、预防性设计规范

1. 电源分级设计：
   • 数字电源与模拟电源独立稳压
   • 预留π型滤波器焊盘
2. PCB布局准则：
   • 音频走线距板边＞3mm
   • 铺铜间距≥0.5mm
3. 元件选型：
   • 选用X7R/X5R介质电容
   • 金属膜电阻替代碳膜电阻

通过系统化的电源治理、地线优化和EMC设计，可有效消除WT系列语音芯片的电流声问题。建议开发者在原型阶段预留不少于20%的降噪设计余量，量产前进行72小时老化测试。